内核内存管理

news2024/9/22 17:29:30

1.内核内存管理框架

内核将物理内存等分成N块4KB，称之为一页，每页都用一个struct page来表示，采用伙伴关系算法维护
在这里插入图片描述
内核地址空间划分图：
在这里插入图片描述
3G~3G+896M：低端内存，直接映射 虚拟地址 = 3G + 物理地址
细分为：ZONE_DMA、ZONE_NORMAL
分配方式：

1. kmalloc:小内存分配，slab算法
2. get_free_page：整页分配，2的n次方页，n最大为10

大于3G+896M：高端内存
细分为：vmalloc区、持久映射区、固定映射区
分配方式：vmalloc：虚拟地址连续，物理地址不连续

2.内核中常用动态分配

2.1 kmalloc

​ 函数原型：

void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags);

kmalloc() 申请的内存位于直接映射区域，而且在物理上也是连续的，它们与真实的物理地址只有一个固定的偏移，因为存在较简单的转换关系，所以对申请的内存大小有限制，不能超过128KB。
　　
较常用的 flags（分配内存的方法）：

  • GFP_ATOMIC —— 分配内存的过程是一个原子过程，分配内存的过程不会被（高优先级进程或中断）打断；
  • GFP_KERNEL —— 正常分配内存；
  • GFP_DMA —— 给 DMA 控制器分配内存，需要使用该标志（DMA要求分配虚拟地址和物理地址连续）。

flags 的参考用法：
　|– 进程上下文，可以睡眠　　　　　GFP_KERNEL
　|– 异常上下文，不可以睡眠　　　　GFP_ATOMIC
　|　　|– 中断处理程序　　　　　　　GFP_ATOMIC
　|　　|– 软中断　　　　　　　　　　GFP_ATOMIC
　|　　|– Tasklet　　　　　　　　　GFP_ATOMIC
　|– 用于DMA的内存，可以睡眠　　　GFP_DMA | GFP_KERNEL
　|– 用于DMA的内存，不可以睡眠　　GFP_DMA |GFP_ATOMIC
　　
对应的内存释放函数为：

void kfree(const void *objp);

void *kzalloc(size_t size, gfp_t flags)

2.2 vmalloc

void *vmalloc(unsigned long size);

vmalloc() 函数则会在虚拟内存空间给出一块连续的内存区，但这片连续的虚拟内存在物理内存中并不一定连续。由于 vmalloc() 没有保证申请到的是连续的物理内存，因此对申请的内存大小没有限制，如果需要申请较大的内存空间就需要用此函数了。

对应的内存释放函数为：

void vfree(const void *addr);

注意：vmalloc() 和 vfree() 可以睡眠，因此不能从异常上下文调用。

2.3 kmalloc & vmalloc 的比较

kmalloc()、kzalloc()、vmalloc() 的共同特点是：

  1. 用于申请内核空间的内存；
  2. 内存以字节为单位进行分配；
  3. 所分配的内存虚拟地址上连续；

kmalloc()、kzalloc()、vmalloc() 的区别是：

  1. kzalloc 是强制清零的 kmalloc 操作；（以下描述不区分 kmalloc 和 kzalloc）
  2. kmalloc 分配的内存大小有限制（128KB），而 vmalloc 没有限制；
  3. kmalloc 可以保证分配的内存物理地址是连续的，但是 vmalloc 不能保证；
  4. kmalloc 分配内存的过程可以是原子过程（使用 GFP_ATOMIC），而 vmalloc 分配内存时则可能产生阻塞；
  5. kmalloc 分配内存的开销小，因此 kmalloc 比 vmalloc 要快；

一般情况下，内存只有在要被 DMA 访问的时候才需要物理上连续，但为了性能上的考虑，内核中一般使用 kmalloc()，而只有在需要获得大块内存时才使用 vmalloc()。

2.4 分配选择原则：

  1. 小内存（< 128k）用kmalloc,大内存用vmalloc或get_free_page
  2. 如果需要比较大的内存，并且要求使用效率较高时用get_free_page,否则用vmalloc

3.IO访问

在这里插入图片描述
两种方式：

  1. IO端口：X86上用IO指令访问
  2. IO内存：外设寄存器在SOC芯片手册上都有相应物理地址

IO内存访问接口：

static inline void __iomem *ioremap(unsigned long offset, unsigned long size)
/*
功能：实现IO管脚的映射
参数：offset:该管脚的偏移地址
	 Size:该管脚映射空间的大小
返回值：成功返回映射的虚拟地址,失败NULL
*/

static inline void iounmap(volatile void __iomem *addr)
/*
功能：解除io管脚的映射
参数：addr:io管脚映射的地址
*/

unsigned readb(void *addr);//1字节   或ioread8(void *addr)
unsigned readw(void *addr);//2字节   或ioread16(void *addr)
unsigned readl(void *addr);//4字节   或ioread32(void *addr)
/*
功能：读取寄存器的值
参数：addr  地址
返回值：读到的数据
*/

void writeb(unsigned value, void *addr);//1字节   或iowrite8(u8 value, void *addr)
void writew(unsigned value, void *addr);//2字节  或iowrite16(u16 value, void *addr)
void writel(unsigned value, void *addr);//4字节  或iowrite32(u32 value, void *addr)
/*
 功能：向指定的寄存器中，写入数据。
 参数：value：待写入寄存器中的数据
	  Address：寄存器的虚拟地址
*/

4.led驱动

原理图

在这里插入图片描述

查阅SOC芯片手册

在这里插入图片描述

GPX2_7  led2   GPX2CON----0x11000C40---28~31-----0001            GPX2DAT-----0x11000C44-----7
GPX1_0 led3    GPX1CON----0x11000C20---0~3    -----0001            GPX1DAT----0x11000C24-----0
GPF3_4 led4    GPF3CON----0x114001E0---16~19 -----0001            GPF3DAT----0x114001E4-----4
GPF3_5 led5    GPF3CON----0x114001E0---20~23 -----0001            GPF3DAT----0x114001E4-----5

编写驱动

a. 设计设备数据类型

   struct myled_dev
   {
   	struct cdev mydev;
    unsigned long * led2con;
    unsigned long * led2dat;
    
    unsigned long * led3con;
    unsigned long * led3dat;
       
    unsigned long * led4con;
    unsigned long * led4dat;
   
    unsigned long * led5con;
    unsigned long * led5dat;
   };

b. 考虑需要支持的函数

c. 模块入口：ioremap + 设置成输出

d. 模块出口：iounmap

e. 编写关灯函数和开灯函数，实现ioctl

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/wait.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/io.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/atomic.h>

#define LED_DEV_MAGIC 'g'
#define MY_LED_OFF _IO(LED_DEV_MAGIC,0)
#define MY_LED_ON _IO(LED_DEV_MAGIC,1)

#define GPX1CON 0x11000c20
#define GPX1DAT 0x11000c24

#define GPX2CON 0x11000c40
#define GPX2DAT 0x11000c44

#define GPF3CON 0x114001e0
#define GPF3DAT 0x114001e4

int major = 11;
int minor = 0;
int leddrv_num = 1;

struct leddrv_dev
{
	struct cdev mydev;
	volatile unsigned long *pled2_con;
	volatile unsigned long *pled2_dat;

	volatile unsigned long *pled3_con;
	volatile unsigned long *pled3_dat;

	volatile unsigned long *pled4_con;
	volatile unsigned long *pled4_dat;

	volatile unsigned long *pled5_con;
	volatile unsigned long *pled5_dat;
};

struct leddrv_dev *pgmydev;

int leddrv_open(struct inode *pnode,struct file *pfile);
int leddrv_close(struct inode *pnode,struct file *pfile);
long leddrv_ioctl(struct file *pfile,unsigned int cmd,unsigned long arg);
void ioremap_ledreg(struct leddrv_dev *pmydev);
void set_out_ledreg(struct leddrv_dev *pmydev);
void iounmap_ledreg(struct leddrv_dev *pmydev);
void led_on(struct leddrv_dev *pmydev,int ledno);
void led_off(struct leddrv_dev *pmydev,int ledno);

struct file_operations myops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = leddrv_open,
	.release = leddrv_close,
	.unlocked_ioctl = leddrv_ioctl,
};

int __init leddrv_init(void)
{
	int ret = 0;
	dev_t devno = MKDEV(major,minor);
	
	ret = register_chrdev_region(devno,leddrv_num,"leddrv");
	if(ret){
		ret = alloc_chrdev_region(&devno,minor,leddrv_num,"leddrv");
		if(ret){
			printk("get devno failed\n");
			return -1;
		}
		major = MAJOR(devno);
	}
	
	pgmydev = (struct leddrv_dev *)kmalloc(sizeof(struct leddrv_dev),GFP_KERNEL);
	if(NULL == pgmydev){
		unregister_chrdev_region(devno,leddrv_num);
		printk("kmalloc failed\n");
		return -1;
	}
	memset(pgmydev,0,sizeof(struct leddrv_dev));
	cdev_init(&pgmydev->mydev,&myops);

	pgmydev->mydev.owner = THIS_MODULE;
	cdev_add(&pgmydev->mydev,devno,leddrv_num);
	
	/*ioremap*/
	ioremap_ledreg(pgmydev);
	/*con_register set output*/
	set_out_ledreg(pgmydev);

	return 0;
}

void __exit leddrv_exit(void)
{
	dev_t devno = MKDEV(major,minor);
	/*iounmap*/

	iounmap_ledreg(pgmydev);

	cdev_del(&pgmydev->mydev);
	unregister_chrdev_region(devno,leddrv_num);
}

int leddrv_open(struct inode *pnode,struct file *pfile)
{
	pfile->private_data = (void *)container_of(pnode->i_cdev,struct leddrv_dev,mydev);
	return 0;
}


int leddrv_close(struct inode *pnode,struct file *pfile)
{
	return 0;
}

void led_on(struct leddrv_dev *pmydev,int ledno)
{
	switch(ledno)
	{
		case 2:
			writel(readl(pmydev->pled2_dat) | (0x1 << 7),pmydev->pled2_dat);
			break;
		case 3:
			writel(readl(pmydev->pled3_dat) | (0x1 << 0),pmydev->pled3_dat);
			break;
		case 4:
			writel(readl(pmydev->pled4_dat) | (0x1 << 4),pmydev->pled4_dat);
			break;
		case 5:
			writel(readl(pmydev->pled5_dat) | (0x1 << 5),pmydev->pled5_dat);
			break;
	}
}

void led_off(struct leddrv_dev *pmydev,int ledno)
{
	switch(ledno)
	{
		case 2:
			writel(readl(pmydev->pled2_dat) & (~(0x1 << 7)),pmydev->pled2_dat);
			break;
		case 3:
			writel(readl(pmydev->pled3_dat) & (~(0x1 << 0)),pmydev->pled3_dat);
			break;
		case 4:
			writel(readl(pmydev->pled4_dat) & (~(0x1 << 4)),pmydev->pled4_dat);
			break;
		case 5:
			writel(readl(pmydev->pled5_dat) & (~(0x1 << 5)),pmydev->pled5_dat);
			break;
	}
}

long leddrv_ioctl(struct file *pfile,unsigned int cmd,unsigned long arg)
{
	struct leddrv_dev  *pmydev = (struct leddrv_dev*)pfile->private_data;
	if(arg < 2 || arg > 5)
	{
		return -1;
	}
	switch(cmd){
		case MY_LED_ON:
			led_on(pmydev,arg);
			break;
		case MY_LED_OFF:
			led_off(pmydev,arg);
			break;
		default:
			return -1;
	}
	return 0;
}

void ioremap_ledreg(struct leddrv_dev *pmydev)
{
	pmydev->pled2_con = ioremap(GPX2CON,4);
	pmydev->pled2_dat = ioremap(GPX2DAT,4);

	pmydev->pled3_con = ioremap(GPX1CON,4);
	pmydev->pled3_dat = ioremap(GPX1DAT,4);

	pmydev->pled4_con = ioremap(GPF3CON,4);
	pmydev->pled4_dat = ioremap(GPF3DAT,4);

	pmydev->pled5_con = pmydev->pled4_con;
	pmydev->pled5_dat = pmydev->pled4_dat;
}
void set_out_ledreg(struct leddrv_dev *pmydev)
{
	writel(((readl(pmydev->pled2_con) & (~(0xf << 28))) | (0x1 << 28)),pmydev->pled2_con);
	writel(((readl(pmydev->pled3_con) & (~(0xf <<  0))) | (0x1 <<  0)),pmydev->pled3_con);
	writel(((readl(pmydev->pled4_con) & (~(0xf << 16))) | (0x1 << 16)),pmydev->pled4_con);
	writel(((readl(pmydev->pled5_con) & (~(0xf << 20))) | (0x1 << 20)),pmydev->pled5_con);

	
	writel(readl(pmydev->pled2_dat) & (~(0x1 << 7)),pmydev->pled2_dat);
	writel(readl(pmydev->pled3_dat) & (~(0x1 << 0)),pmydev->pled3_dat);
	writel(readl(pmydev->pled4_dat) & (~(0x1 << 4)),pmydev->pled4_dat);
	writel(readl(pmydev->pled5_dat) & (~(0x1 << 5)),pmydev->pled5_dat);

}
void iounmap_ledreg(struct leddrv_dev *pmydev)
{
	iounmap(pmydev->pled2_con);
	pmydev->pled2_con = NULL;
	iounmap(pmydev->pled2_dat);
	pmydev->pled2_dat = NULL;

	iounmap(pmydev->pled3_con);
	pmydev->pled3_con = NULL;
	iounmap(pmydev->pled3_dat);
	pmydev->pled3_dat = NULL;

	iounmap(pmydev->pled4_con);
	pmydev->pled4_con = NULL;
	iounmap(pmydev->pled4_dat);
	pmydev->pled4_dat = NULL;

	pmydev->pled5_con = NULL;
	pmydev->pled5_dat = NULL;
}



MODULE_LICENSE("GPL");

module_init(leddrv_init);
module_exit(leddrv_exit);

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