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嵌入式（驱动开发）（内核内存管理）
一、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
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内核地址空间划分图：
![[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-FVpABBct-1668757602066)(.\虚拟内核空间划分图.png)]](https://1000bd.com/contentImg/2024/04/21/4d9ee55a34c91c12.png)
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- 1
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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
二、内核中常用动态分配
2.1 kmalloc（效率高，申请空间小）
函数原型：
void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags);- 1
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。一般异常上下文用这个，因为他申请内存时不会被打断，申请失败直接返回；
- GFP_KERNEL —— 正常分配内存。一般任务上下文用这个，因为申请内存时如果没有可以忙等待；
- 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);- 1
void *kzalloc(size_t size, gfp_t flags)- 1
2.2 vmalloc（效率低，申请空间大）
void *vmalloc(unsigned long size);- 1
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);- 1
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：
- 用于申请内核空间的内存；
- 内存以字节为单位进行分配；
- 所分配的内存虚拟地址上连续；
kmalloc()、kzalloc()、vmalloc() 的区别是：
- kzalloc 是强制清零的 kmalloc 操作；（以下描述不区分 kmalloc 和 kzalloc）
- kmalloc 分配的内存大小有限制（128KB），而 vmalloc 没有限制；
- 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；
- 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；
- 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：
- 小内存（< 128k）用kmalloc,大内存用vmalloc或get_free_page
- 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
init函数
三、IO访问-------访问外设控制器的寄存器
![[外链接上传(img-E593pmV8-1668757602068)(.\SOC架构图.jpg)]](https://1000bd.com/contentImg/2024/04/21/08154c5834a86959.png)
两种方式：- IO端口：X86上用IO指令访问
- 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 */- 1
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四、led驱动
- 读原理图
![[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-G6oBzs6v-1668757602069)(.\led原理图.jpg)]](https://1000bd.com/contentImg/2024/04/21/922f59b68ac41418.png)
- 查阅SOC芯片手册
![[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Qpgv0nDR-1668757602070)(.\GPX2_7寄存器.jpg)]](https://1000bd.com/contentImg/2024/04/21/9e5176bd77b6bf04.png)
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- 1
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编写驱动
a. 设计设备数据类型
str uct 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; };- 1
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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
led内核驱动代码
#include#include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include "leddrv.h" //自己写的.h用“”引用，库用<>引用 #define GPX1CON 0X11000C20 //寄存器地址 #define GPX1DAT 0X11000C24 #define GPX2CON 0X11000C40 #define GPX2DAT 0X11000C44 #define GPF3CON 0X114001E0 #define GPF3DAT 0X114001E4 int major = 11; //主设备号 int minor = 0; //次设备号 int myled_num = 1; //设备数量 struct myled_dev //led设备结构体 { struct cdev mydev; //设备结构体 volatile unsigned long *pled2_con; //volatile：防止编译器优化 volatile unsigned long *pled2_dat; volatile unsigned long *pled3_con; //con寄存器地址 volatile unsigned long *pled3_dat; //dat寄存器地址 volatile unsigned long *pled4_con; volatile unsigned long *pled4_dat; volatile unsigned long *pled5_con; volatile unsigned long *pled5_dat; }; struct myled_dev *pgmydev = NULL; //定义一个设备结构体变量，用于调用结构体成员 int myled_open(struct inode *pnode,struct file *pfile) //打开文件函数 { //inode类型结构体中i_cdev是mydev的地址 pfile->private_data = (void *) (container_of(pnode->i_cdev,struct myled_dev,mydev));//知道成员地址可以得出结构体地址 return 0; } int myled_close(struct inode *pnode,struct file *pfile) { return 0; } //参数一：灯设备机构体。参数二：打开那个灯(2-5) void led_on(struct myled_dev *pmydev,int ledno) //灯打开函数 { switch(ledno) { case 2: //读出pmydev->pled2_dat寄存器值或上1左移7位，然后在写入pmydev->pled2_dat寄存器实现点灯 writel(readl(pmydev->pled2_dat) | (0x1 << 7),pmydev->pled2_dat); break; case 3: writel(readl(pmydev->pled3_dat) | (0x1),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 myled_dev *pmydev,int ledno) //灯关闭函数 { switch(ledno) { case 2: writel((readl(pmydev->pled2_dat) & (~(0x1 << 7))),pmydev->pled2_dat); break; case 3: writel((readl(pmydev->pled3_dat) & (~(0x1))),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; } } //参数一：文件描述符用于寻找设备结构体地址 参数二：app对驱动进行控制的参数 参数三：整型变量app传参操作驱动里面的函数 long myled_ioctl(struct file *pfile,unsigned int cmd,unsigned long arg) //控制函数 { struct myled_dev *pmydev = (struct myled_dev *)pfile->private_data; if(arg < 2 || arg > 5) //要点亮几号灯范围2-5 { return -1; } switch (cmd) //进行开灯或者关灯 { case MY_LED_ON: led_on(pmydev,arg); break; case MY_LED_OFF: led_off(pmydev,arg); break; default: return -1; } return 0; } struct file_operations myops = { //设备的操作函数，自己写的子函数必须在这儿与内核函数关联起来才能被调用 .owner = THIS_MODULE, .open = myled_open, .release = myled_close, .unlocked_ioctl = myled_ioctl, }; void ioremap_ledreg(struct myled_dev *pmydev) //将设备结构体成员变量进行对设备硬件地址的映射 { pmydev->pled2_con = ioremap(GPX2CON,4); //ioreamp参数一：十六进制地址的值 参数二：地址所占字节 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_output_ledconreg(struct myled_dev *pmydev) //io口初始化函数 { writel((readl(pmydev->pled2_con) & (~(0xF << 28))) | (0X1 << 28),pmydev->pled2_con); writel((readl(pmydev->pled3_con) & (~(0xF))) | (0X1),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))),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 myled_dev *pmydev) //io口清除函数 { 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; } int __init myled_init(void) { int ret = 0; dev_t devno = MKDEV(major,minor); //将主次设备号合成一个32位的设备号 /*申请设备号*/ ret = register_chrdev_region(devno,myled_num,"myled"); if(ret) { ret = alloc_chrdev_region(&devno,minor,myled_num,"myled"); //手动申请失败时自动申请 if(ret) { printk("get devno failed\n"); return -1; } major = MAJOR(devno); } pgmydev = (struct myled_dev *)kmalloc(sizeof(struct myled_dev),GFP_KERNEL);//给设备结构体申请一块内存，kmalloc是申请小内存效率高。GFP_KERNEL是可以进行忙等待，因为这个是任务上下文 if(NULL == pgmydev) //申请失败 { unregister_chrdev_region(devno,myled_num); //取消注册设备号 printk("kmalloc failed\n"); return -1; } memset(pgmydev,0,sizeof(struct myled_dev)); //给结构体变量赋初值 /*给struct cdev对象指定操作函数集*/ cdev_init(&pgmydev->mydev,&myops); /*将struct cdev对象添加到内核对应的数据结构里*/ pgmydev->mydev.owner = THIS_MODULE; cdev_add(&pgmydev->mydev,devno,myled_num); /*ioremap*/ ioremap_ledreg(pgmydev); /**/ set_output_ledconreg(pgmydev); return 0; } void __exit myled_exit(void) { dev_t devno = MKDEV(major,minor); /*iounmap*/ iounmap_ledreg(pgmydev); cdev_del(&pgmydev->mydev); unregister_chrdev_region(devno,myled_num); kfree(pgmydev); pgmydev = NULL; } MODULE_LICENSE("GPL"); module_init(myled_init); module_exit(myled_exit); 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leddrv.h
#ifndef LED_DRIVER_H #define LED_DRIVER_H #define LED_DEV_MAGIC 'g' #define MY_LED_OFF _IO(LED_DEV_MAGIC,0) #define MY_LED_ON _IO(LED_DEV_MAGIC,1) #endif- 1
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app
#include#include #include #include #include "leddrv.h" #include #include int main(int argc,char *argv[]) { int fd = -1; int onoff = 0; int no = 0; if(argc < 4) { printf("The argument is too few\n"); return -1; } sscanf(argv[2],"%d",&onoff); sscanf(argv[3],"%d",&no); if(no < 2 || no > 5) { printf("len-on is invalid\n"); return 2; } fd = open(argv[1],O_RDONLY); if(fd < 0) { printf("open %s failed\n",argv[1]); return 3; } if(onoff) { ioctl(fd,MY_LED_ON,no); } else { ioctl(fd,MY_LED_OFF,no); } close(fd); fd = -1; return 0; } - 1
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10 | 多态
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