linux系统中内存分配基本原理分析

第一：linux系统中内存分配关注问题

     在编写Linux驱动过程中，不可避免涉及外设操作，而外设地址空间与DDR地址空间一般不连续，在linux上电时，并不会为外设地址空间建立页表，又因为linux访问内存使用的都是虚拟地址，因此如果想访问外设的寄存器（一般包括数据寄存器、控制寄存器与状态寄存器），需要在驱动初始化中将外设所处的物理地址映射为虚拟地址，linux为应对该问题提供了较多接口，包括：ioremap/ioremap_wc/devm_ioremap/devm_ioremap_resource等，以应对不同的场景需求，本文即阐述这些接口的使用，以及需要注意的区别。

第二：场景的应用背景

   在系统运行时，外设IO资源的物理地址是已知的，由硬件的设计决定（参考SOC的datesheet，一般会有memorymap）。驱动程序不能通过物理地址访问IO资源，必须将其映射到内核态的虚拟地址空间（通过页表）[1]，然后根据映射所得到的内核虚拟地址范围，通过线性偏移（virt_addr = virt_base + phy_addr - phy_base）访问这些IO内存资源。

 

代码路径:arch/arm/include/asm/io.h
/*                                                                                                  
349  * ioremap() and friends.                                                                           
350  *                                                                                                  
351  * ioremap() takes a resource address, and size.  Due to the ARM memory                             
352  * types, it is important to use the correct ioremap() function as each                             
353  * mapping has specific properties.                                                                 
354  *                                                                                                  
355  * Function             Memory type     Cacheability    Cache hint                                  
356  * ioremap()            Device          n/a             n/a                                         
357  * ioremap_nocache()    Device          n/a             n/a                                         
358  * ioremap_cache()      Normal          Writeback       Read allocate                               
359  * ioremap_wc()         Normal          Non-cacheable   n/a                                         
360  * ioremap_wt()         Normal          Non-cacheable   n/a                                         
361  *                                                                                                  
362  * All device mappings have the following properties:                                               
363  * - no access speculation                                                                          
364  * - no repetition (eg, on return from an exception)                                                
365  * - number, order and size of accesses are maintained                                              
366  * - unaligned accesses are "unpredictable"                                                         
367  * - writes may be delayed before they hit the endpoint device                                      
368  *                                                                                                  
369  * ioremap_nocache() is the same as ioremap() as there are too many device                          
370  * drivers using this for device registers, and documentation which tells                           
371  * people to use it for such for this to be any different.  This is not a  
    
372  * safe fallback for memory-like mappings, or memory regions where the                              
373  * compiler may generate unaligned accesses - eg, via inlining its own                              
374  * memcpy.                                                                                          
375  *                                                                                                  
376  * All normal memory mappings have the following properties:                                        
377  * - reads can be repeated with no side effects                                                     
378  * - repeated reads return the last value written                                                   
379  * - reads can fetch additional locations without side effects                                      
380  * - writes can be repeated (in certain cases) with no side effects                                 
381  * - writes can be merged before accessing the target                                               
382  * - unaligned accesses can be supported                                                            
383  * - ordering is not guaranteed without explicit dependencies or barrier                            
384  *   instructions                                                                                   
385  * - writes may be delayed before they hit the endpoint memory                                      
386  *                                                                                                  
387  * The cache hint is only a performance hint: CPUs may alias these hints.                           
388  * Eg, a CPU not implementing read allocate but implementing write allocate                         
389  * will provide a write allocate mapping instead.                                                   
390  */

 

ioremap函数组共有五个接口，根据函数实现可以分为三类:

ioremap & ioremap_nocache实现相同，使用场景为映射device memory类型内存；

ioremap_cached，使用场景为映射normal memory类型内存，且映射后的虚拟内存支持cache；

ioremap_wc & ioremap_wt实现相同，使用场景为映射normal memory类型内训，且映射后的虚拟内存不支持cache。

第三：何为memory type？

     内存类型（memory type）分为设备（device）类型与一般（normal）类型。

第四：ioremap & ioremap_nocache

 

代码路径:arch/arm/include/asm/io.h
void __iomem *ioremap(resource_size_t res_cookie, size_t size);
#define ioremap ioremap                                                                     #define ioremap_nocache ioremap

 

    ioremap用来映射memory type为device memory的设备，同时不使用cache(device memory本身就没有cacheable这个属性)，即CPU的读写操作直接操作设备内存。ioremap_nocache的实现与ioremap完全相同，保留该符号是因为向后兼容使用ioremap_nocache接口的驱动程序。

    API接口中的res_cookie参数是需要映射的物理地址，size参数是需要映射的内存大小，单位是Byte。不需要考虑物理地址的页对齐问题，底层通过PAGE_ALIGN接口完成了页对齐。

第五：ioremap_cached

 

/*                                                                                                  
* Do not use ioremap_cached in new code. Provided for the benefit of                               
* the pxa2xx-flash MTD driver only.                                                                
 */                                                                                                 
void __iomem *ioremap_cached(resource_size_t res_cookie, size_t size);

 

ioremap_cached用来映射memory type为normal memory的设备，同时使用cache，这会提高内存的访问速度，提高系统的性能。

第六：ioremap_wc & ioremap_wt

 

void __iomem *ioremap_wc(resource_size_t res_cookie, size_t size);                                  
#define ioremap_wc ioremap_wc                                                                       
#define ioremap_wt ioremap_wc

 

ioremap_wc用来映射memory type为normal memory的设备，同时不使用cache。

第七：解映射API

 

代码路径:arch/arm/include/asm/io.h
void iounmap(volatile void __iomem *iomem_cookie);

 

不论采用以上哪种映射方式，解映射为统一接口，其中iomem_cookie参数为映射后的虚拟地址。

第八：IO资源读写过程

我们已经知道如何映射和解映射虚拟内存，内存映射是为了访问，理论上这时候可以像读写RAM那样直接通过虚拟地址指针读写IO内存资源，但是为了保证驱动程序跨平台的可移植性【这一点还不太理解，直接指针操作怎么影响的移植性，望大家指教】，我们应该采用linux中特定的接口函数来访问IO内存[1]。常用接口如下：

 

代码路径:arch/arm/include/asm/io.h
299 #define readb(c)                ({ u8  __v = readb_relaxed(c); __iormb(); __v; })                   
300 #define readw(c)                ({ u16 __v = readw_relaxed(c); __iormb(); __v; })                   
301 #define readl(c)                ({ u32 __v = readl_relaxed(c); __iormb(); __v; })                   
                                                                                                     
303 #define writeb(v,c)             ({ __iowmb(); writeb_relaxed(v,c); })                               
304 #define writew(v,c)             ({ __iowmb(); writew_relaxed(v,c); })                               
305 #define writel(v,c)             ({ __iowmb(); writel_relaxed(v,c); })   
    
  
316 static inline void memset_io(volatile void __iomem *dst, unsigned c,                                size_t count);
324 static inline void memcpy_fromio(void *to, const volatile void __iomem *from,                         size_t count);
332 static inline void memcpy_toio(volatile void __iomem *to, const void *from,                           size_t count);

 

　　审核编辑：汤梓红