【Linux】LDD学习笔记——操作硬件——IO内存

2021-12-03 23:24:16

原文出处：http://blog.chinaunix.net/uid-25014876-id-80627.html

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在之前章节的驱动，都没有对硬件进行操作，接写来将从我之前学的裸板驱动开始，讲解在linux系统下如何访问硬件。

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一、IO端口与IO内存

介绍之前可以看看以下的博客：http://blogold.chinaunix.net/u2/66435/showart_2137870.html

x86体系和ARM体系的寻址方式是有差别的：

在x86下，为了能够满足CPU高速地运行，内存与CPU之间通过北桥相连并通过地址方式访问，而外设通过南桥与CPU相连并通过端口访问。

在ARM下也实现了类似的操作，通过两条不同的总线（AHB BUS和APB BUS）来连接不同访问速度的外设。但是它与x86不同，无论是内存还是外设，ARM都是通过地址访问。

因为这两种访问方式的不同，linux分出了两种不同的访问操作：

以地址方式访问硬件——使用IO内存操作。

以端口方式访问硬件——使用IO端口操作。

在ARM下，访问寄存器就像访问内存一样——从指定的寄存器地址获取数据，修改。所以，ARM下一般是使用IO内存的操作。但这并不是说IO端口的操作在ARM下不能用，它们的代码差不多，只是没有使用的必要，下面也将介绍IO内存操作。

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二、如何使用IO内存获得硬件的地址

之前已经说过，不能在linux使用实际的物理地址，要对指定的物理地址进行操作，必须要先将物理地址与虚拟地址对应，通过虚拟地址访问。于是有了以下的物理地址映射函数：

#include <asm/io.h>

void *ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size);

其实这也是上一节介绍的内存分配的一种方式，它同样会建立新页表来管理虚拟地址。函数传入两个参数，需要访问的物理内存（寄存器）的首地址phys_addr和这段内存区域的大小size，返回与该段物理地址对应的虚拟地址。这段地址可以多次被映射，当然，每次映射的虚拟地址也不一样。

对应的也有撤销映射关系的函数：

void ioumap(void *addr);

接下来，我将会从一个裸板的ARMled驱动开始，讲解linux下的操作和裸板有什么不一样。

我的ARM裸板程序是在linux下编写的，我不知道这跟win下使用ADS有什么区别，在裸板驱动中，一般我是通过这样的办法来操作寄存器的：

首先，先给个地址定义个容易记的名字：

#define GPECON *(volatile unsigned long *) 0x56000040

接着，我就要操作这个GPECON寄存器了：

*GPECON &= ~(3 << 24); //将24和25位清零

*GPECON |= (1 << 24); //将24和25位分别赋值为1、0

可以看到，操作寄存器其实就是拿个地址出来进行操作。其实在linux下也是一样，只是操作的时候不能使用物理地址，需要用映射出来的虚拟地址。

上个函数，这个程序我将要点亮连在我开发板上的led灯，这个灯接在我开发板的GPE12上，如果需要下载程序运行，需要改一下接口。

/*5th_mm_2/1st/test.c*/
#include

#include

   <span class="hljs-comment">//上面介绍的函数需要包含该头文件</span>

volatile unsigned long virt, phys; //用于存放虚拟地址和物理地址
volatile unsigned long *GPECON, *GPEDAT, *GPEUP; //用与存放三个寄存器的地址

void led_device_init(void)
{
phys = 0x56000000; //1、指定物理地址
virt = (unsigned long)ioremap(phys, 0x0c); //2、通过ioremap获得对应的虚拟地址
//0x0c表示只要12字节的大小
GPECON = (unsigned long *)(virt + 0x40); //3、指定需要操作的三个寄存器的地址
GPEDAT = (unsigned long *)(virt + 0x44);
PEUP = (unsigned long *)(virt + 0x48);
}

void led_configure(void) //led配置函数
{
*GPECON &= ~(3 << 24); //配置GPE12为输出端口
*GPECON |= (1 << 24); //先清零再赋值

*GPEUP |= (<span class="hljs-number">1</span> &lt;&lt; <span class="hljs-number">12</span>); <span class="hljs-comment">//禁止上拉电阻</span>

}

void led_on(void) //点亮led
{
*GPEDAT &= ~(1 << 12);
}

void led_off(void) //灭掉led
{
*GPEDAT |= (1 << 12);
}

static int __init test_init(void) //模块初始化函数
{
led_device_init();
led_configure();
led_on();
printk(“hello led!\n”);
return 0;
}

static void __exit test_exit(void) //模块卸载函数
{
led_off();
iounmap((void *)virt); //注意，即使取消了映射，通过之前的虚拟地址还能访问硬件，
printk(“bye\n”); //但不是肯定可以，只要该虚拟地址被内核改动后就不行了。
}

module_init(test_init);
module_exit(test_exit);

MODULE_LICENSE(“GPL”);
MODULE_AUTHOR(“xoao bai”);
MODULE_VERSION(“v0.1”);

从上面的程序可以看到，除了获得地址有点和裸板驱动不一样外，寄存器的操作还是一样的。

接下来验证一下：

[root: 1st]# insmod test.ko

hello led! //这时候灯亮了

[root: 1st]# rmmod test

bye //灯灭了

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三、改进函数，使用更好的内存访问接口

为了实现更好的移植性，上面的程序就有缺陷了。内核建议，尽量使用内核提供的内存访问接口：

#include <asm/io.h>

//从内存读取数据,返回值是指定内存地址中的值

unsigned int ioread8(void *addr)

unsigned int ioread16(void *addr)

unsigned int ioread32(void *addr)

//往指定内存地址写入数据

void iowrite8(u8 value, void *addr)

void iowrite16(u16 value, void *addr)

void iowrite32(u32 value, void *addr)

一般常用的是32位内存存取接口。

接下来就改进一下函数，其实实质没有改变，上面的函数是根据对应的平台体系结构编写的，这样可以提高驱动的移植性。

/*5th_mm_2/1st/test.c*/
#include

#include

volatile unsigned long virt, phys;
volatile unsigned long *GPECON, *GPEDAT, *GPEUP;
unsigned long reg;

void led_device_init(void)
{
phys = 0x56000000;
virt = (unsigned long)ioremap(phys, SZ_16); //这里只是想介绍一下，在asm/sizes.h中有一下
//定义好用来表示内存大小的宏，这里其实我只
GPECON = (unsigned long *)(virt + 0x40); //需要12个字节，并不需要16个字节。
GPEDAT = (unsigned long *)(virt + 0x44);
GPEUP = (unsigned long *)(virt + 0x48);
}

void led_configure(void)
{
//*GPECON &= ~(3 << 24);
//*GPECON |= (1 << 24);
reg = ioread32(GPECON);
reg &= ~(3 << 24);
reg |= (1 << 24);
iowrite32(reg, GPECON);

<span class="hljs-comment">//*GPEUP |= (1 &lt;&lt; 12);</span>
reg = <span class="hljs-built_in">ioread32</span>(GPEUP);
reg &amp;= ~(<span class="hljs-number">3</span> &lt;&lt; <span class="hljs-number">12</span>);
<span class="hljs-built_in">iowrite32</span>(reg, GPEUP);

}

void led_on(void)
{
//*GPEDAT &= ~(1 << 12);
reg = ioread32(GPEDAT);
reg &= ~(1 << 12);
iowrite32(reg, GPEDAT);
}

void led_off(void)
{
//*GPEDAT |= (1 << 12);
reg = ioread32(GPEDAT);
reg |= (1 << 12);
iowrite32(reg, GPEDAT);
}

static int __init test_init(void) //模块初始化函数
{
led_device_init();
led_configure();
led_on();
printk(“hello led!\n”);
return 0;
}

static void __exit test_exit(void) //模块卸载函数
{
led_off();
iounmap((void *)virt);
printk(“bye\n”);
}

module_init(test_init);
module_exit(test_exit);

MODULE_LICENSE(“GPL”);
MODULE_AUTHOR(“xoao bai”);
MODULE_VERSION(“v0.1”);

会发现发现，程序将原来直接访问内存的一句话变成了3句话，其他都没有改变。

我就不验证了，效果其实是一样的。

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四、再改进一下程序：

在使用IO内存映射操作之前，其实还可以添加一个步骤：分配内存区域。

#include <ioport.h>

struct resource *request_mem_region(unsigned long start, unsinged long len, char *name)

该函数从start开始分配len字节长的内存空间。如果成功，返回一个结构体指针，但这结构体我们没必要用，如果失败返回NULL。成功后，可以在.proc/iomem查看到name的信息。

其实调用request_mem_region()不是必须的，但是建议使用。该函数的任务是检查申请的资源是否可用，如果可用则申请成功，并标志为已经使用，其他驱动想再申请该资源时就会失败。

如果不再使用，需要调用释放函数：

void release_mem_region(unsigned long start, unsigned long len)

现在把这两个函数加上去：

/*5th_mm_2/3rd/test.c*/
1 #include

2 #include

3
4 #include

5 #include

6
7 volatile unsigned long virt, phys;
8 volatile unsigned long *GPECON, *GPEDAT, *GPEUP;
9 unsigned long reg;
10 struct resource *led_resource;
11
12 void led_device_init(void)
13 {
14 phys = 0x56000000;
15 virt = (unsigned long)ioremap(phys, 0x0c);
16
17 GPECON = (unsigned long *)(virt + 0x40);
18 GPEDAT = (unsigned long *)(virt + 0x44);
19 GPEUP = (unsigned long *)(virt + 0x48);
20 }
21
22 void led_configure(void)
23 {
24 reg = ioread32(GPECON);
25 reg &= ~(3 << 24);
26 reg |= (1 << 24);
27 iowrite32(reg, GPECON);
28
29 reg = ioread32(GPEUP);
30 reg &= ~(3 << 12);
31 iowrite32(reg, GPEUP);
32 }
33
34 void led_on(void)
35 {
36 reg = ioread32(GPEDAT);
37 reg &= ~(1 << 12);
38 iowrite32(reg, GPEDAT);
39 }
40
41 void led_off(void)
42 {
43 reg = ioread32(GPEDAT);
44 reg |= (1 << 12);
45 iowrite32(reg, GPEDAT);
46 }
47
48 static int __init test_init(void) //模块初始化函数
49 {
50 led_device_init();
51
52 led_resource = request_mem_region(phys, 0x0c, “LED_MEM”);
53 if(NULL == led_resource){
54 printk(“request mem error!\n”);
55 return - ENOMEM;
56 }
57
58 led_configure();
59 led_on();
60 printk(“hello led!\n”);
61 return 0;
62 }
63
64 static void __exit test_exit(void) //模块卸载函数
65 {
66 if(NULL != led_resource){
67 led_off();
68 iounmap((void *)virt);
69 release_mem_region(phys, 0x0c);
70 }
71 printk(“bye\n”);
72 }
73
74 module_init(test_init);
75 module_exit(test_exit);
76
77 MODULE_LICENSE(“GPL”);
78 MODULE_AUTHOR(“xoao bai”);
79 MODULE_VERSION(“v0.1”);

写完就得验证一下：

[root: 3rd]# insmod test.ko

hello led! //灯亮了

[root: 3rd]# cat /proc/iomem

19000300-19000310 : cs8900

。。。。

56000000-5600000b : LED_MEM //看到了

57000000-570000ff : s3c2410-rtc

5a000000-5a0fffff : s3c2440-sdi

[root: 3rd]# rmmod test

bye //灯灭了

[root: 3rd]# cat /proc/iomem //LED_MEM不见了

19000300-19000310 : cs8900

。。。。。。

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五、总结

今天介绍的内容不多，其实就几个函数，下面重温一下使用IO内存的步骤：

其中第一步和最后一步可以不做。

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源代码：5th_mm_2.rar

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