Linux下高级内存操作技巧：ioremap详解 (linux高端内存 ioremap)
在Linux操作系统中，内存映射技术是非常重要的一种内存操作方法。因为它能够将物理内存映射到虚拟地址空间中，从而方便对其进行读写操作。而其中一个重要的内存映射函数是ioremap()。本文将对Linux下的ioremap函数进行详细讲解和操作实例。
一、ioremap函数介绍
ioremap()函数是Linux内核中用来将物理地址映射到虚拟地址空间的函数。在物理内存空间没有映射到当前进程的虚拟地址空间时，可以通过ioremap来完成映射。
ioremap函数的原型定义如下：
“`
void *ioremap(resource_size_t phys_addr, unsigned long size);
“`
其中，phys_addr为物理地址，size为映射的大小。该函数返回值为映射到的虚拟地址。
需要注意的是，ioremap()函数只能用于IO设备的地址映射，不能用于普通内存的地址映射。因为普通内存的地址映射应该通过内核的虚拟内存管理来实现，而不是通过ioremap()函数。
二、ioremap操作实例
下面通过一个实例来说明Linux下如何使用ioremap函数实现对物理内存的操作。
假设当前有一个系统板卡，其有一个物理地址区域为0x20230000~0x20230000。现在需要在Linux内核中将该区域映射到虚拟地址空间中，以便对其进行读写操作。
代码实现如下：
“`c
#define MEM_ADDR 0x20230000
#define MEM_SIZE 0x100000
void __iomem *g_mem_base;
static int __init test_init(void)
{
g_mem_base = ioremap(MEM_ADDR, MEM_SIZE);
if (!g_mem_base) {
printk(KERN_ERR “ioremap fled\n”);
return -ENOMEM;
}
printk(KERN_INFO “ioremap succeeded\n”);
//对物理内存进行读写操作
void *mem = (void __force *)g_mem_base;
unsigned int value = ioread32(mem + 0x1c);
iowrite32(value + 1, mem + 0x1c);
return 0;
}
static void __exit test_exit(void)
{
iounmap(g_mem_base);
printk(KERN_INFO “iounmap succeeded\n”);
}
module_init(test_init);
module_exit(test_exit);
MODULE_LICENSE(“GPL”);
“`
其中，使用__iomem修饰符告诉编译器，g_mem_base指针指向的是物理内存，防止编译器进行一些优化。
在module_init()函数中，使用ioremap函数实现对指定地址区域的内存映射。并在其中对物理内存进行了一次读写操作，即读取指定内存地址的值，并将该值加1写回原位。
在module_exit()函数中，使用iounmap()函数释放通过ioremap()映射的虚拟地址空间。
三、使用ioremap函数需要注意的事项
1. ioremap()函数映射的内存空间属于内存映射区域，需要对其进行页对齐。
2. ioreadXX()和iowriteXX()函数是用于读写物理地址空间的函数，其中的XX表示读写数据的长度，如ioread32和iowrite32表示读写32位数据。需要注意的是，访问这些地址区域的方式需要是原子的。
3. 避免在进入中断上下文时使用ioremap()函数，可以使用ioremap_wc()函数进行操作。
四、
通过本文，我们详细介绍了Linux下高级内存操作技巧中重要的ioremap函数。并通过实例来演示了如何使用该函数实现对物理内存的操作。需要注意的是，ioremap()函数只能用于IO设备的地址映射，并且需要保证访问该地址的操作是原子的。在实际使用过程中需要注意相关的事项。
相关问题拓展阅读：
驱动中操作物理绝对地址为什么要先ioremap
void * __ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size, unsigned long flags) 入口： phys_addr：要映射的起始的IO地址； size：要映射的空间的大小； flags：要映射的IO空间的和权限有关的标志； 功能： 将一个IO地址空间映射到内核的虚拟地址空间上去，便于访问； 实现：对要映射的IO地址空间进行判断，低PCI/ISA地址不需要重新映射，也不允许用户将IO地址空间映射到正在使用的RAM中，最后申请一 个 vm_area_struct结构，调用remap_area_pages填写页表，若填写过程不成功则释放申请的vm_area_struct空 间； 意义： 比如isa设备和pci设备，或者是fb，硬件的跳线或者是物理连接方式决定了硬件上的内存影射到的cpu物理地址。 在内核访问这些地址必须分配给这段内存以虚拟地址,这正是__ioremap的意义所在 ,需要注意的是,物理内存已经”存在”了,无需alloc page给这段地址了. 文件中的注释也是比较详尽的,并且只 暴露了__ioremap,iounmap两个函数供其他模 块调用,函数remap_area_pte,remap_area_pmd,remap_area_pages只为__ioremap所用. －－－－－－－－ 为了使软件访问I/O内存,必须为设备分配虚拟地址.这就是ioremap的工作.这个函数专门用来为I/O内存区域分配虚拟地址(空间).对于直接映射的I/O地址ioremap不做任何事情(uClinux中是这么实现的??) 有了ioremap(和iounmap),设备就可以访问任高搜何I/O内存空间,不论它是否直接映射到虚拟地址空间.但是戚让历,这些地址永远不能直接使用(指物理地址),而要用readb这种函数. 根据计算机平台和所使用总线的不同，I/O 内存可能是，也可能不是通过页表访问的，通过页表访问的是统一编址（PowerPC），否则是独立编址(Intel)。如果访问是经由页表进行的，内核必须首先安排物理地址使其对设备驱动 程序可见（这通常意味着在进行任何 I/O 之前必须先调用 ioremap）。如果访问无需页表，那么 I/O 内存区域就很象 I/O 端口，可以使 用适当形式的函数读写它们。 不管访问 I/O 内存时是否需要调用 ioremap，都不鼓励直接使用指向 I/O 内存的指针。尽管（在“I/O 端口和 I/O 内存” 介绍过）I/O 内存在硬件一级是象普通 RAM 一样寻址的，但在“I/O 寄存器和常规内存”中描述过的那些需要额外小心的情况中已经建议不要使用普 通指针。相反，使用“包装的”函数访问 I/O 内存，一方面在所有平台上都是安全的，另一方面，在可以直接对指针指向的内存区域执行操作的时候，该函数 是经过优化的 －－－－－－－ 自己原以为当给显卡上的存储空间分配了总线地址A以后,它所对应的虚拟空间就随之确定了.也就是A+3G.可是事实上,在ioremap.c文件里面的实现并不是这样的.所用的函数是 __ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size, unsigned long flags)实现的时候是为从phys_addr开始的size大小的物理地址分配一块虚拟地址.注意这里是分配,而不是指定.我所认为的分配应该是指定即根据phys_addr得到其所对应的滑含虚拟地址是phys_addr+3G. 本人认为一合理的解释是这样的:系统虚拟空间中映射的非IO卡上的地址空间满足3G差关系,而IO卡上的 存储空间就不满足了.
如何在linux内核中保留一块内存不被系统分配
要想在内核中保留一个块内存，不被系统分配，而是只由自己使用，可以使用以下函数
reserve_bootmem(addr,size,flag）
这个函数的三个参数，addr是你要保基族吵留的地址，size就是要保留的大小，flag是标志位，要来确定是否检查你要保搏侍留的空间是否已经被保留了，它可以设置为两个值，BOOTMEM_DEFAULT和BOOTMEM_EXCLUSIVE，前者就是总是会返回0（也就是保留成功），而后者则会检查你所要保留的空间是否已经被保留了，若已经被保留了，则它返回失败（负数）
那么这个函数一般放在哪里使用过了，我们建议放到内核init/main.c中，在页表的建立之前进行保留，比如我们下面的代码，放在main中的start_kernel函数中，我们的内核是2.6.32
alinkage void __init start_kernel(void)
{
……
……
trap_init();
if(reserve_bootmem(0x,0x100000,BOOTMEM_EXCLUSIVE) != 0){
printk(“reserve fail—-\n”);
}
printk(“we reserve boot meme of 0xfor gps—–\n”);
mm_init();
……
……
}
这样就保留了一个起始地址穗渗为0x，大小为1M的空间
在开机保留内存的方式一共有三种方法：
1. reserve_bootmem(addr,size,flag)
这种方法，我做实验一直没有成功…
如果有成功的，希望大神留言，求指导！
2. alloc_bootmem(size)
其实还是比较简单的,在int/main.c中：
//设置全局变量
char* reserve_memory;
EXPORT_SYMBOL_GPL(reserve_memory);
void __init start_kernel()
{
…
trap_init();
//在此添加滚裂代码,在zone保留40M的内存
reserve_memory=alloc_bootmem(0x);
mem_init();
…
}
但是在内核中得到reserve_memory之后，如何映射到内核空间中使用，没有理出头绪…
网上搜到有人说，
“
有了allco_bootmem返回的地址，
在戚清内核态，找到大仔闭要使用这段内存的task_struct;
进而强行建立页表;
”
如果有大神理解这句话，或者更好的映射方法，请留言，谢谢！
3. 开机时设置Linux 内核参数
mem=180M /* 开机时只给系统180M的内存空间，其余都保留 */
这种方法最为简单，但是设置和使用的时候，需要和硬件内存物理大小相适应。
在内核驱动中，可以以ioremap()的方式映射到内核空间中，或者再mmap()到用户空间中读写。
Linux里面什么线性内存？
Linux内存线性地址空间格局解析
实用平台：i386
Linux内存线性地址空间大小为4GB，分为2个局部：用户空间局部(等闲是3G)和内核空间局部(等闲是1G)。在此我们重要关怀内核地址空间局部。
内核穿越内核页大局目录来管教所有的物理内存，由于线形地址前3G空间为用户利用，内核页大局目录前768项(刚好3G)除0、1两项外全副为0，后256项(1G)用来管教所有的物理内存。内核页大局目录在编译时静态地定义为swapper_pg_dir数组，该数组从物理内存地址0x101000处开始储藏。
由图可见，内核线形地址空间局部从PAGE_OFFSET(等闲定义为3G)开始，为了将内核装入内存，从PAGE_OFFSET开始8M线形地址用来照射内核所在的物理内存地址；接下来是mem_map数组，mem_map的起始线形地址与系统构造相干，例如对于UMA构造，由于从PAGE_SIZE开始16M线形地址空间对应的16M物理地址空间是DMA区，mem_map数组等闲开始于PAGE_SIZE+16M的线形地址；从PAGE_SIZE开始到VMALLOC_START
–
VMALLOC_OFFSET的线形地址空间直接照射到物理内存空间(一一对应影射，物理地址=线形地址-PAGE_OFFSET)，这段区域的大小和机器切实具有的物理内存大小有关，这儿VMALLOC_OFFSET在x86上为8M，重要用来遏止越界讹谬；在内存比拟小的系统上，余下的线形地址空间(还要再扣除空白区即VMALLOC_OFFSET)被vmalloc()函数用来把不继续的物理地址空间照射到继续的线形地址空间上，在内存比拟大的系统上祥链，vmalloc()利用从VMALLOC_START到VMALLOC_END(也即PKMAP_BASE扣除2页的空白页大小PAGE_SIZE)的线形地址空间，此刻余下的线形地址空间(还要再扣除2页的空白区让雀即VMALLOC_OFFSET)又能够分成2局部：之一局部从PKMAP_BASE到FIXADDR_START用来由kmap()函坦宴早数照射高端内存；第二局部，从FIXADDR_START到FIXADDR_TOP，这是一个安宁大小的线形地址空间，(引用：Fixed
virtual addresses are needed for subsystems that need to know the
virtual address at compile time such as the
APIC)，在x86系统构造上，FIXADDR_TOP被静态定义为0xFFFFE000,此刻这个安宁大小空间告终于全副线形地址空间最后4K前面，该安宁大小空间大小是在编译时计算出来并存储在__FIXADDR_SIZE变量中。真空断路器o:p>
正是由于vmalloc()利用区、kmap()利用区及安宁大小区的存在才使ZONE_NORMAL区大小受到局限，由于内核在运行时必需这些函数，因而在线形地址空间中起码要VMALLOC_RESERVE大小的空间。VMALLOC_RESERVE的大小与系统构造相干，在x86上，VMALLOC_RESERVE定义为128M，这即便为什么我们看到ZONE_NORMAL大小等闲是16M到896M的起因。
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