[Linux外设驱动详解]7. 内存管理与 I/O 访问

7. 内存管理与 I/O 访问

基于 Linux 内核源码分析 | 硬件平台：瑞芯微 RK3588 (ARM64)

7.1 ioremap / iounmap

7.1.1 概述

在 Linux 驱动开发中，硬件设备的寄存器通常位于物理地址空间。内核代码使用的是虚拟地址，因此需要一种机制将物理地址映射到内核虚拟地址空间。ioremap就是为此而设计的接口。

核心源码位置：

ARM64 架构实现：kernel/arch/arm64/mm/ioremap.c
通用页表映射：kernel/mm/ioremap.c
接口定义：kernel/arch/arm64/include/asm/io.h

7.1.2 ioremap 映射流程

7.1.3 核心实现分析

__ioremap_caller 函数

源码位置：kernel/arch/arm64/mm/ioremap.c:21-63

staticvoid__iomem*__ioremap_caller(phys_addr_tphys_addr,size_tsize,pgprot_tprot,void*caller){unsignedlonglast_addr;unsignedlongoffset=phys_addr&~PAGE_MASK;interr;unsignedlongaddr;structvm_struct*area;/* 1. 页对齐处理 */phys_addr&=PAGE_MASK;size=PAGE_ALIGN(size+offset);/* 2. 检查地址范围有效性 */last_addr=phys_addr+size-1;if(!size||last_addr<phys_addr||(last_addr&~PHYS_MASK))returnNULL;/* 3. 禁止映射 RAM 区域 */if(WARN_ON(pfn_valid(__phys_to_pfn(phys_addr))))returnNULL;/* 4. 分配内核虚拟地址空间 */area=get_vm_area_caller(size,VM_IOREMAP,caller);if(!area)returnNULL;addr=(unsignedlong)area->addr;area->phys_addr=phys_addr;/* 5. 建立页表映射 */err=ioremap_page_range(addr,addr+size,phys_addr,prot);if(err){vunmap((void*)addr);returnNULL;}/* 6. 返回带偏移的虚拟地址 */return(void__iomem*)(offset+addr);}

ioremap_page_range 页表建立

源码位置：kernel/mm/ioremap.c:222-250

页表层级遍历：

PGD (Page Global Directory) ↓ P4D (Page 4th Directory) ↓ PUD (Page Upper Directory) ↓ PMD (Page Middle Directory) ↓ PTE (Page Table Entry) → 物理页面

支持巨页映射优化：

页表级别	映射粒度	条件
P4D 级别	512GB	地址和大小都要 512GB 对齐
PUD 级别	1GB	地址和大小都要 1GB 对齐
PMD 级别	2MB	地址和大小都要 2MB 对齐
PTE 级别	4KB	常规页面映射

7.1.4 内存类型属性

源码位置：kernel/arch/arm64/include/asm/pgtable-prot.h:55-60

ARM64 定义了多种设备内存属性：

/* 设备内存属性 - 不可缓存 */#definePROT_DEVICE_nGnRnE/* non-Gathering, non-Reordering, No Early acknowledge */#definePROT_DEVICE_nGnRE/* non-Gathering, non-Reordering, Early acknowledge *//* 正常内存属性 */#definePROT_NORMAL_NC/* Normal Non-Cacheable */#definePROT_NORMAL/* Normal Cacheable */

属性缩写	含义	说明
nG	non-Gathering	读写操作不会合并
nR	non-Reordering	读写操作不会重排序
RnE	Read No Early	读操作不提前返回
RE	Early	写操作可提前返回确认
NC	Non-Cacheable	不使用缓存

常用 ioremap 变体：

/* 标准 ioremap - 设备内存，不可缓存 */void__iomem*ioremap(phys_addr_taddr,size_tsize);/* 写合并模式 - 正常非缓存内存 */void__iomem*ioremap_wc(phys_addr_taddr,size_tsize);/* 可缓存模式 - 用于正常 RAM 区域 */void__iomem*ioremap_cache(phys_addr_taddr,size_tsize);/* PCI 配置空间 - nGnRnE 属性 */void__iomem*pci_remap_cfgspace(phys_addr_taddr,size_tsize);

7.1.5 iounmap 解除映射

源码位置：kernel/arch/arm64/mm/ioremap.c:72-83

voidiounmap(volatilevoid__iomem*io_addr){unsignedlongaddr=(unsignedlong)io_addr&PAGE_MASK;/* * 某些情况下（如 ioremap_cache 复用 RAM 映射）， * 地址可能不在 vmalloc 范围内，需要检查。 */if(is_vmalloc_addr((void*)addr))vunmap((void*)addr);}

7.1.6 使用示例

/* 假设 RK3588 GPIO 控制器物理基址为 0xFD820000 */#defineGPIO_BASE_PHYS0xFD820000void__iomem*gpio_base;/* 1. 映射设备寄存器 */gpio_base=ioremap(GPIO_BASE_PHYS,0x1000);if(!gpio_base){pr_err("Failed to ioremap GPIO registers\n");return-ENOMEM;}/* 2. 访问寄存器 */u32 value=