Linux内核源代码情景分析-外部设备存储空间的地址映射

随着计算机技术的发展，人们发现单纯的I/O映射方式是不能满足要求的。此种方式只适合于早期的计算机技术，那时候一个外设通常都只有几个寄存器，通过这几个寄存器就可以完成对外设的所有操作了。而现在的情况却不大一样。例如，在PC机上可以插上一块图像卡，带有2MB的存储器，甚至还可能带有一块ROM，里面装有可执行代码。所以要将外设卡上的存储器映射到内存空间，实际上是虚拟空间的手段。在Linux内核中，这样的映射是通过函数ioremap()来建立的。

对于内存页面的管理，通常 我们都是先在虚拟空间分配一个虚拟空间，然后为此区间分配相应的物理内存页面并建立起映射。而且这样的映射也并不是一次就建立完毕，可以在访问这些虚拟页面引起页面异常时逐步地建立。

但是，ioremap()则不同，首先我们先有一个物理存储区间，其地址就是外设卡上的存储器出现在总线的地址(不是存储单元在外设卡上局部的物理地址)。在Linux系统中，CPU不能按物理地址来访问存储空间，而必须使用虚拟地址，所以必须”反向“地从物理地址出发找到一片虚拟空间并建立起映射。其次，这样的需求只发生于对外部设备的操作，而这是内核的事，所以相应的虚拟空间是在系统空间(3GB以上)。

我们先看ioremap，代码如下：

extern inline void * ioremap (unsigned long offset, unsigned long size)
{
	return __ioremap(offset, size, 0);
}

__ioremap，代码如下：

void * __ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size, unsigned long flags)
{
	void * addr;
	struct vm_struct * area;
	unsigned long offset, last_addr;

	/* Don‘t allow wraparound or zero size */
	last_addr = phys_addr + size - 1;
	if (!size || last_addr < phys_addr)
		return NULL;

	/*
	 * Don‘t remap the low PCI/ISA area, it‘s always mapped..
	 */
	if (phys_addr >= 0xA0000 && last_addr < 0x100000)
		return phys_to_virt(phys_addr);

	/*
	 * Don‘t allow anybody to remap normal RAM that we‘re using..
	 */
	if (phys_addr < virt_to_phys(high_memory)) {
		char *t_addr, *t_end;
		struct page *page;

		t_addr = __va(phys_addr);
		t_end = t_addr + (size - 1);

		for(page = virt_to_page(t_addr); page <= virt_to_page(t_end); page++)
			if(!PageReserved(page))
				return NULL;
	}
        //我们假设符合条件，执行到这里
	/*
	 * Mappings have to be page-aligned
	 */
	offset = phys_addr & ~PAGE_MASK;
	phys_addr &= PAGE_MASK;//物理地址
	size = PAGE_ALIGN(last_addr) - phys_addr; //从起始物理地址到结束共多少个字节

	/*
	 * Ok, go for it..
	 */
	area = get_vm_area(size, VM_IOREMAP);//在vmlist_lock找出合适的虚拟地址，并将vm_struct插入vmlist_lock
	if (!area)
		return NULL;
	addr = area->addr;//虚拟地址
	if (remap_area_pages(VMALLOC_VMADDR(addr), phys_addr, size, flags)) {//建立虚拟地址和物理地址之间的映射
		vfree(addr);
		return NULL;
	}
	return (void *) (offset + (char *)addr);//返回的是虚拟地址加上物理页面的后12位偏移
}

get_vm_area，在vmlist_lock找出合适的虚拟地址，并将vm_struct插入vmlist_lock，代码如下：

struct vm_struct * get_vm_area(unsigned long size, unsigned long flags)
{
	unsigned long addr;
	struct vm_struct **p, *tmp, *area;

	area = (struct vm_struct *) kmalloc(sizeof(*area), GFP_KERNEL);
	if (!area)
		return NULL;
	size += PAGE_SIZE;
	addr = VMALLOC_START;
	write_lock(&vmlist_lock);
	for (p = &vmlist; (tmp = *p) ; p = &tmp->next) {//在vmlist_lock找出合适的虚拟地址
		if ((size + addr) < addr) {
			write_unlock(&vmlist_lock);
			kfree(area);
			return NULL;
		}
		if (size + addr < (unsigned long) tmp->addr)
			break;
		addr = tmp->size + (unsigned long) tmp->addr;
		if (addr > VMALLOC_END-size) {
			write_unlock(&vmlist_lock);
			kfree(area);
			return NULL;
		}
	}
	area->flags = flags;
	area->addr = (void *)addr;//虚拟地址
	area->size = size;//大小
	area->next = *p;//将vm_struct插入vmlist_lock
	*p = area;
	write_unlock(&vmlist_lock);
	return area;
}

其中，vm_struct 结构如下：

struct vm_struct {
	unsigned long flags;
	void * addr;
	unsigned long size;
	struct vm_struct * next;
};

struct vm_struct * vmlist;

回到__ioremap，开始执行remap_area_pages，建立虚拟地址和物理地址之间的映射，代码如下：

static int remap_area_pages(unsigned long address, unsigned long phys_addr,
				 unsigned long size, unsigned long flags)//address为虚拟地址，phys_addr为物理地址
{
	pgd_t * dir;
	unsigned long end = address + size;

	phys_addr -= address;//减去address，后来又加上了address
	dir = pgd_offset(&init_mm, address);//指向页目录项
	flush_cache_all();
	if (address >= end)
		BUG();
	do {
		pmd_t *pmd;
		pmd = pmd_alloc_kernel(dir, address);//中转一下，还是指向页目录项
		if (!pmd)
			return -ENOMEM;
		if (remap_area_pmd(pmd, address, end - address,
					 phys_addr + address, flags))//end-address为大小，phys_addr + address是物理地址
			return -ENOMEM;
		address = (address + PGDIR_SIZE) & PGDIR_MASK;
		dir++;//指向下一个页目录项
	} while (address && (address < end));
	flush_tlb_all();
	return 0;
}

remap_area_pmd，代码如下：

static inline int remap_area_pmd(pmd_t * pmd, unsigned long address, unsigned long size,
	unsigned long phys_addr, unsigned long flags)
{
	unsigned long end;

	address &= ~PGDIR_MASK;
	end = address + size;
	if (end > PGDIR_SIZE)
		end = PGDIR_SIZE;
	phys_addr -= address;
	if (address >= end)
		BUG();
	do {
		pte_t * pte = pte_alloc_kernel(pmd, address);//指向了页表项
		if (!pte)
			return -ENOMEM;
		remap_area_pte(pte, address, end - address, address + phys_addr, flags);//end-address为大小，phys_addr + address是物理地址
		address = (address + PMD_SIZE) & PMD_MASK;
		pmd++;//指向下一个页目录项
	} while (address && (address < end));
	return 0;
}

remap_area_pte，代码如下：

static inline void remap_area_pte(pte_t * pte, unsigned long address, unsigned long size,
	unsigned long phys_addr, unsigned long flags)
{
	unsigned long end;

	address &= ~PMD_MASK;
	end = address + size;
	if (end > PMD_SIZE)
		end = PMD_SIZE;
	if (address >= end)
		BUG();
	do {
		if (!pte_none(*pte)) {
			printk("remap_area_pte: page already exists\n");
			BUG();
		}
		set_pte(pte, mk_pte_phys(phys_addr, __pgprot(_PAGE_PRESENT | _PAGE_RW |
					_PAGE_DIRTY | _PAGE_ACCESSED | flags)));//页表项指向对应的页面，且页面的属性被设置为_PAGE_PRESENT，_PAGE_RW，_PAGE_DIRTY，_PAGE_ACCESSED
		address += PAGE_SIZE;
		phys_addr += PAGE_SIZE;
		pte++;//指向下一个页表项
	} while (address && (address < end));
}

回到__ioremap，最后返回的是虚拟地址加上物理页面的后12位偏移为最终的虚拟地址，前面已经建立了映射(页目录项和页表项)，这样，根据这个虚拟地址就可以访问到物理地址的第一行代码。

由于内核mm_struct结构init_mm是单独的，从任何一个进程的task结构中都到达不了init_mm。所以，kswapd根本就看不到init_mm中的虚拟区间，这些区间的页面就自然不会被换出而常驻内存。