Linux ioremap分析

ioremap()将物理地址转换为虚拟地址

->ioremap(addr, size) arch/arm64/include/asm/io.h
->__ioremap((addr), (size), __pgprot(PROT_DEVICE_nGnRE))
{

#define PROT_DEVICE_nGnRE (PROT_DEFAULT | PTE_PXN | PTE_UXN |
PTE_DIRTY | PTE_WRITE |
PTE_ATTRINDX(MT_DEVICE_nGnRE))
}
->__ioremap(phys_addr_t phys_addr, size_t size, pgprot_t prot) arch/arm64/mm/ioremap.c
->_ioremap_caller(phys_addr_t phys_addr, size_t size, pgprot_t prot, void *caller)
{

若页表的大小为4K， offset是相对于页表的offsset
unsigned long offset = phys_addr & ~PAGE_MASK;

物理地址的分配以页表对齐，size的大小为PAGE_ALIGN(size + offset)
phys_addr &= PAGE_MASK;
size = PAGE_ALIGN(size + offset);
last_addr = phys_addr + size – 1;

/*如果物理地址在RAM的区间内，则不允许做map操作*/
if (WARN_ON(pfn_valid(__phys_to_pfn(phys_addr))))
return NULL;

在linux虚拟内存中找到一段的mem空间，用vm_struct数据结构进行描述
struct vm_struct *area;
area = get_vm_area_caller(size, VM_IOREMAP, caller); arch/arm64/mm/ioremap.c

VMALLOC_START和VMALLOC_END为VMALLOC的mem空间，定义在arch/arm64/include/asm/pgtable.h中
定义如下：
{

#define VMALLOC_START (MODULES_END)
#define VMALLOC_END (PAGE_OFFSET – PUD_SIZE – VMEMMAP_SIZE – SZ_64K)
}

__get_vm_area_node(size, 1, flags, VMALLOC_START, VMALLOC_END,
NUMA_NO_NODE, GFP_KERNEL, caller);
{

分配一个struct vm_struct的结构体
struct vm_struct *area;
area = kzalloc_node(sizeof(*area), gfp_mask & GFP_RECLAIM_MASK, node);

在vmalloc地址空间内找到一块未分配的虚拟空间
va = alloc_vmap_area(size, align, start, end, node, gfp_mask)
{

struct vmap_area *va;
va = kmalloc_node(sizeof(struct vmap_area),gfp_mask & GFP_RECLAIM_MASK, node);

如果不满足从free_vmap_cache中分配mem的条件
if (!free_vmap_cache || size < cached_hole_size ||
vstart < cached_vstart || align < cached_align)
{

nocache:
cached_hole_size = 0;
free_vmap_cache = NULL;
}

cached_vstart为VMSTART
cached_vstart = vstart;
cached_align = align;

如果free_vmap_cache存在，找到应经被free掉的vmap_area空间
if (free_vmap_cache)
{

first = rb_entry(free_vmap_cache, struct vmap_area, rb_node);
addr = ALIGN(first->va_end, align);
if (addr < vstart)
goto nocache;
if (addr + size < addr)
goto overflow;

} else
{

从vmap_area_root的根节点开始遍历，vmap_area_root为已经分配的mem组成的红黑树

addr = ALIGN(vstart, align);
n = vmap_area_root.rb_node;
while (n)
{

struct vmap_area *tmp;

tmp = rb_entry(n, struct vmap_area, rb_node);
if (tmp->va_end >= addr) {

first = tmp;
if (tmp->va_start <= addr)
break;
n = n->rb_left;
} else
n = n->rb_right;
}

如果first不存在，则说明红黑树中还没有节点，或者则从VMSTART开始分配
if (!first)
goto found;
}

从vmap_area_list中的
while (addr + size > first->va_start && addr + size <= vend)
{

if (addr + cached_hole_size < first->va_start)
cached_hole_size = first->va_start – addr;
addr = ALIGN(first->va_end, align);

if (addr + size < addr)
goto overflow;

if (list_is_last(&first->list, &vmap_area_list))
goto found;

first = list_next_entry(first, list);
}

found:
va->va_start = addr;
va->va_end = addr + size;
va->flags = 0;

将va插入到红黑树节点中
__insert_vmap_area(va);
free_vmap_cache = &va->rb_node;
}

初始化struct vm_struct结构体，用来描述虚拟空间
setup_vmalloc_vm(area, va, flags, caller);
{

vm->flags = flags;
vm->addr = (void *)va->va_start;
vm->size = va->va_end – va->va_start;
vm->caller = caller;
va->vm = vm;
va->flags |= VM_VM_AREA;
}
}

如果找到一块vmalloc的mem空间可以进行ioremap操作，则进行ioremap操作
addr = (unsigned long)area->addr;
area->phys_addr = phys_addr;

lib/ioremap.c
err = ioremap_page_range(addr, addr + size, phys_addr, prot);
{

ioremap对应的虚拟空间的起始地址
start = addr;

物理地址减去起始的虚拟地址
phys_addr -= addr;

根据虚拟地址找到页全局目录
pgd = pgd_offset_k(addr);
{

#define pgd_offset_k(addr) pgd_offset(&init_mm, addr)
#define pgd_offset(mm, addr) (pgd_offset_raw((mm)->pgd, (addr)))
#define pgd_offset_raw(pgd, addr) ((pgd) + pgd_index(addr))
#define pgd_index(addr) (((addr) >> PGDIR_SHIFT) & (PTRS_PER_PGD – 1))
}

循环映射直到addr==end，即所有的pgd都被遍历到
do
{

next为下一个pdg对应的虚拟地址
next = pgd_addr_end(addr, end);

addr为pgd对应的start地址，next为pgd对应的end地址，由于篇幅的问题，
我们忽略掉pud和pmd，直接分析pgd->pte的映射结构。
err = ioremap_pte_range(pgd, addr, next, phys_addr+addr, prot);
{

物理页框号
pfn = phys_addr >> PAGE_SHIFT;

获取页表项
pte = pte_alloc_kernel(pmd, addr);

遍历一个pgd对应的地址空间
do
{

建立页表，lib/ioremap.c，该函数的第四个参数pfn_pte(pfn, prot)为由
pfn和prot所构建的页表
set_pte_at(&init_mm, addr, pte, pfn_pte(pfn, prot));
{

set_pte(ptep, pte);
{

*ptep = pte;
}
}
pfn++;
} while (pte++, addr += PAGE_SIZE, addr != end);
}
if (err)
break;

} while (pgd++, addr = next, addr != end);
}
}