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关键词:设备管理、驱动程序、I/O端口、资源
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几乎每一种外设都是通过读写设备上的寄存器来进行的。外设寄存器也称为“I/O端口”,通常包括:控制寄存器、状态寄存器和数据寄存器三大类,而且一个外设的寄存器通常被连续地编址。CPU对外设IO端口物理地址的编址方式有两种:一种是I/O映射方式(I/O-mapped),另一种是内存映射方式(Memory-mapped)。而具体采用哪一种则取决于CPU的体系结构。
有些体系结构的CPU(如,PowerPC、m68k等)通常只实现一个物理地址空间(RAM)。在这种情况下,外设I/O端口的物理地址就被映射到CPU的单一物理地址空间中,而成为内存的一部分。此时,CPU可以象访问一个内存单元那样访问外设I/O端口,而不需要设立专门的外设I/O指令。这就是所谓的“内存映射方式”(Memory-mapped)。
而另外一些体系结构的CPU(典型地如X86)则为外设专门实现了一个单独地地址空间,称为“I/O地址空间”或者“I/O端口空间”。这是一个与CPU地RAM物理地址空间不同的地址空间,所有外设的I/O端口均在这一空间中进行编址。CPU通过设立专门的I/O指令(如X86的IN和OUT指令)来访问这一空间中的地址单元(也即I/O端口)。这就是所谓的“I/O映射方式”(I/O-mapped)。与RAM物理地址空间相比,I/O地址空间通常都比较小,如x86 CPU的I/O空间就只有64KB(0-0xffff)。这是“I/O映射方式”的一个主要缺点。
Linux将基于I/O映射方式的或内存映射方式的I/O端口通称为“I/O区域”(I/O region)。在讨论对I/O区域的管理之前,我们首先来分析一下Linux是如何实现“I/O资源”这一抽象概念的。
3.1 Linux对I/O资源的描述
Linux设计了一个通用的数据结构resource来描述各种I/O资源(如:I/O端口、外设内存、DMA和IRQ等)。该结构定义在include/linux/ioport.h头文件中:
struct resource {
各成员的含义如下:
1. name指针:指向此资源的名称。
2. start和end:表示资源的起始物理地址和终止物理地址。它们确定了资源的范围,也即是一个闭区间[start,end]。
3. flags:描述此资源属性的标志(见下面)。
4. 指针parent、sibling和child:分别为指向父亲、兄弟和子资源的指针。
属性flags是一个unsigned long类型的32位标志值,用以描述资源的属性。比如:资源的类型、是否只读、是否可缓存,以及是否已被占用等。下面是一部分常用属性标志位的定义(ioport.h):
#define IORESOURCE_BITS 0x000000ff
#define IORESOURCE_IO 0x00000100
#define IORESOURCE_MEM 0x00000200
#define IORESOURCE_IRQ 0x00000400
#define IORESOURCE_DMA 0x00000800
#define IORESOURCE_PREFETCH 0x00001000
#define IORESOURCE_READONLY 0x00002000
#define IORESOURCE_CACHEABLE 0x00004000
#define IORESOURCE_RANGELENGTH 0x00008000
#define IORESOURCE_SHADOWABLE 0x00010000
#define IORESOURCE_BUS_HAS_VGA 0x00080000
#define IORESOURCE_UNSET 0x20000000
#define IORESOURCE_AUTO 0x40000000
#define IORESOURCE_BUSY 0x80000000
指针parent、sibling和child的设置是为了以一种树的形式来管理各种I/O资源。
3.2 Linux对I/O资源的管理
Linux是以一种倒置的树形结构来管理每一类I/O资源(如:I/O端口、外设内存、DMA和IRQ)的。每一类I/O资源都对应有一颗倒置的资源树,树中的每一个节点都是一个resource结构,而树的根结点root则描述了该类资源的整个资源空间。
基于上述这个思想,Linux在kernel/Resource.c文件中实现了对资源的申请、释放及查找等操作。
3.2.1 I/O资源的申请
假设某类资源有如下这样一颗资源树:
节点root、r1、r2和r3实际上都是一个resource结构类型。子资源r1、r2和r3通过sibling指针链接成一条单向非循环链表,其表头由root节点中的child指针定义,因此也称为父资源的子资源链表。r1、r2和r3的parent指针均指向他们的父资源节点,在这里也就是图中的root节点。
假设想在root节点中分配一段I/O资源(由图中的阴影区域表示)。函数request_resource()实现这一功能。它有两个参数:①root指针,表示要在哪个资源根节点中进行分配;②new指针,指向描述所要分配的资源(即图中的阴影区域)的resource结构。该函数的源代码如下(kernel/resource.c):
int request_resource(struct resource *root, struct resource *new)
{
write_lock(&resource_lock);
conflict = __request_resource(root, new);
write_unlock(&resource_lock);
return conflict ? -EBUSY : 0;
}
对上述函数的NOTE如下:
①资源锁resource_lock对所有资源树进行读写保护,任何代码段在访问某一颗资源树之前都必须先持有该锁。其定义如下(kernel/Resource.c):
static rwlock_t resource_lock = RW_LOCK_UNLOCKED;
②可以看出,函数实际上是通过调用内部静态函数__request_resource()来完成实际的资源分配工作。如果该函数返回非空指针,则表示有资源冲突;否则,返回NULL就表示分配成功。
③最后,如果conflict指针为NULL,则request_resource()函数返回返回值0,表示成功;否则返回-EBUSY表示想要分配的资源已被占用。
函数__request_resource()完成实际的资源分配工作。如果参数new所描述的资源中的一部分或全部已经被其它节点所占用,则函数返回与new相冲突的resource结构的指针。否则就返回NULL。该函数的源代码如下
(kernel/Resource.c):
static struct resource * __request_resource(struct resource *root, struct resource *new)
{
if (end < start) return root;
if (start < root->start) return root;
if (end > root->end) return root;
p = &root->child;
for (;;) {
对函数的NOTE:
①前三个if语句判断new所描述的资源范围是否被包含在root内,以及是否是一段有效的资源(因为end必须大于start)。否则就返回root指针,表示与根结点相冲突。
②接下来用一个for循环遍历根节点root的child链表,以便检查是否有资源冲突,并将new插入到child链表中的合适位置(child链表是以I/O资源物理地址从低到高的顺序排列的)。为此,它用tmp指针指向当前正被扫描的resource结构,用指针p指向前一个resource结构的sibling指针成员变量,p的初始值为指向root->sibling。For循环体的执行步骤如下:
l 让tmp指向当前正被扫描的resource结构(tmp=*p)。
l 判断tmp指针是否为空(tmp指针为空说明已经遍历完整个child链表),或者当前被扫描节点的起始位置start是否比new的结束位置end还要大。只要这两个条件之一成立的话,就说明没有资源冲突,于是就可以把new链入child链表中:①设置new的sibling指针指向当前正被扫描的节点tmp(new->sibling=tmp);②当前节点tmp的前一个兄弟节点的sibling指针被修改为指向new这个节点(*p=new);③将new的parent指针设置为指向root。然后函数就可以返回了(返回值NULL表示没有资源冲突)。
l 如果上述两个条件都不成立,这说明当前被扫描节点的资源域有可能与new相冲突(实际上就是两个闭区间有交集),因此需要进一步判断。为此它首先修改指针p,让它指向tmp->sibling,以便于继续扫描child链表。然后,判断tmp->end是否小于new->start,如果小于,则说明当前节点tmp和new没有资源冲突,因此执行continue语句,继续向下扫描child链表。否则,如果tmp->end大于或等于new->start,则说明tmp->[start,end]和new->[start,end]之间有交集。所以返回当前节点的指针tmp,表示发生资源冲突。
3.2.2 资源的释放
函数release_resource()用于实现I/O资源的释放。该函数只有一个参数——即指针old,它指向所要释放的资源。起源代码如下:
int release_resource(struct resource *old)
{
}
可以看出,它实际上通过调用__release_resource()这个内部静态函数来完成实际的资源释放工作。函数__release_resource()的主要任务就是将资源区域old(如果已经存在的话)从其父资源的child链表重摘除,它的源代码如下:
static int __release_resource(struct resource *old)
{
}
对上述函数代码的NOTE如下:
同函数__request_resource()相类似,该函数也是通过一个for循环来遍历父资源的child链表。为此,它让tmp指针指向当前被扫描的资源,而指针p则指向当前节点的前一个节点的sibling成员(p的初始值为指向父资源的child指针)。循环体的步骤如下:
①首先,让tmp指针指向当前被扫描的节点(tmp=*p)。
②如果tmp指针为空,说明已经遍历完整个child链表,因此执行break语句推出for循环。由于在遍历过程中没有在child链表中找到参数old所指定的资源节点,因此最后返回错误值-EINVAL,表示参数old是一个无效的值。
③接下来,判断当前被扫描节点是否就是参数old所指定的资源节点。如果是,那就将old从child链表中去除,也即让当前结点tmp的前一个兄弟节点的sibling指针指向tmp的下一个节点,然后将old->parent指针设置为NULL。最后返回0值表示执行成功。
④如果当前被扫描节点不是资源old,那就继续扫描child链表中的下一个元素。因此将指针p指向tmp->sibling成员。
3.2.3 检查资源是否已被占用,
函数check_resource()用于实现检查某一段I/O资源是否已被占用。其源代码如下:
int check_resource(struct resource *root, unsigned long start, unsigned long len)
{
}
对该函数的NOTE如下:
①构造一个临时资源tmp,表示所要检查的资源[start,start+end-1]。
②调用__request_resource()函数在根节点root申请tmp所表示的资源。如果tmp所描述的资源还被人使用,则该函数返回NULL,否则返回非空指针。因此接下来在conflict为NULL的情况下,调用__release_resource()将刚刚申请的资源释放掉。
③最后根据conflict是否为NULL,返回-EBUSY或0值。
3.2.4 寻找可用资源
函数find_resource()用于在一颗资源树中寻找未被使用的、且满足给定条件的(也即资源长度大小为size,且在[min,max]区间内)的资源。其函数源代码如下:
static int find_resource(struct resource *root, struct resource *new,
{