ARM Linux靜態(tài)映射分析

在華清遠見上課過程中，發(fā)現(xiàn)靜態(tài)映射方面初學者比較難于掌握和理解，下面分析一下靜態(tài)映射機制的原理并通過GPIO和USB、LCD等的靜態(tài)映射作為例子來說明如何通過這種靜態(tài)映射的方式訪問外設(shè)資源。

內(nèi)核提供了一個重要的結(jié)構(gòu)體STruct machine_desc ,這個結(jié)構(gòu)體在內(nèi)核移植中起到相當重要的作用,內(nèi)核通過machine_desc結(jié)構(gòu)體來控制系統(tǒng)體系架構(gòu)相關(guān)部分的初始化。machine_desc結(jié)構(gòu)體的成員包含了體系架構(gòu)相關(guān)部分的幾個最重要的初始化函數(shù)，包括map_io,init_IRq, init_machine以及phys_io , TImer成員等。

machine_desc結(jié)構(gòu)體定義如下：

struct machine_desc {

/*

* Note! The first four elements are used

* by assembler code in head-armv.S

*/

unsigned int nr; /* architecture number */

unsigned int phys_io; /* start of physical io */

unsigned int io_pg_offst; /* byte offset for io

* page tabe entry */

cONst char *name; /* architecture nAME */

unsigned long ;boot_params; /* tagged list */

unsigned int video_start; /* start of video RAM */

unsigned int video_end; /* end of video RAM */

unsigned int reserve_lp0 :1; /* never has lp0 */

unsigned int reserve_lp1 :1; /* never has lp1 */

unsigned int reserve_lp2 :1; /* never has lp2 */

unsigned int soft_reboot :1; /* soft reboot */

void (*fixup)(struct machine_desc *,

struct tag *, char **,

struct meminfo *);

void (*map_io)(void);/* IO mapping function */

void (*init_irq)(void);

struct sys_timer *timer; /* system tick timer */

void (*init_machine)(void);

};

machine_desc結(jié)構(gòu)體通過MACHINE_START宏來初始化,這里以s3c2410平臺為例:

s3c2410 machine_desc結(jié)構(gòu)體定義如下：

/* arch/arm/mach-s3c2410/mach-SMDk2410.c */

MACHINE_START(smdK2410, SMDK2410) /* @TODO: request a new identifier and switch

* to SMDK2410 */

/* Maintainer: Jonas Dietsche */

.phys_io = S3C2410_PA_UART,

.io_pg_offst = (((u32)S3C24XX_VA_UART) >> 18) 0xfffc,

.boot_params = S3C2410_SDRAM_PA + 0x100,

.map_io = smdk2410_map_io,

.init_irq = s3c24xx_init_irq,

.init_machine = smdk2410_init,

.timer = s3c24xx_timer,

MACHINE_END

其中的宏MACHINE_START和MACHINE_END定義如下：

/*

* Set of macros to define architecture features. This is built into

* a table by the linker.

*/

#define MACHINE_START(_type,_name)

const struct machine_desc __mach_desc_##_type

__attribute__((__section__(.arch.info.init))) = {

.nr = MACH_TYPE_##_type,

.name = _name,

#define MACHINE_END

};

其中MACH_TYPE_##_type 為GCC擴展語法中的字符拼接標識，在預(yù)編譯的時候會用真正的字符代替，比如我們這里就是MACH_TYPE_SMDK2410

MACHINE_START的使用及各個成員函數(shù)的的放置位置以及調(diào)用過程如下：

MACH_TYPE_SMDK2410這個值是目標板的類型值，定義在arch/include/asm-arm/mach-types.h內(nèi)，值為193.

/* arch/include/asm-arm/mach-types.h */

#define MACH_TYPE_SMDK2410 193

由上發(fā)現(xiàn)，MACHINE_START主要是定義了struct machine_desc的類型，放在 section(.arch.info.init)，是初始化數(shù)據(jù)，其所占用的內(nèi)存在內(nèi)核起來之后將會被釋放。

這里的map_io成員即內(nèi)核提供給用戶的創(chuàng)建外設(shè)I/O資源到內(nèi)核虛擬地址靜態(tài)映射表的接口函數(shù)。map_io成員函數(shù)會在系統(tǒng)初始化過程中被調(diào)用,流程如下：

start_kernel -> setup_arch() --> paging_init()中被調(diào)用

struct machine_desc 結(jié)構(gòu)體的各個成員函數(shù)在不同時期被調(diào)用：

1. .init_machine 在 arch/arm/kernel/setup.c 中被 customize_machine 調(diào)用，放在 arch_initcall( ) 段里面，會自動按順序被調(diào)用(另外博客分析，敬請關(guān)注)。

2. init_irq在start_kernel( ) --> init_IRQ( ) --> init_arch_irq( ) 被調(diào)用

3. map_io 在 setup_arch( ) --> paging_init( )被調(diào)用

其他主要都在 setup_arch() 中用到。

用戶可以在定義machine_desc結(jié)構(gòu)體時指定map_io的接口函數(shù)，我們也正是這樣做的。

接下來我們繼續(xù)分析smdk2410_map_io的執(zhí)行過程，流程如下：

smdk2410_map_io-> s3c24xx_init_io(smdk2410_iodesc, ARRAY_SIZE(smdk2410_iodesc))

下面來看一下s3c24xx_init_io函數(shù)：

void __init s3c24xx_init_io(struct map_desc *mach_desc, int mach_size)

{

/* register our io-tables */

iotable_init(s3c_iodesc, ARRAY_SIZE(s3c_iodesc));

……

}

iotable_init內(nèi)核提供，定義如下：

/*

* Create the architecture specific mappings

*/

void __init iotable_init(struct map_desc *io_desc, int nr)

{

int i;

for (i = 0; i nr; i++)

create_mapping(io_desc + i);

}

由上知道，smdk2410_map_io最終調(diào)用iotable_init建立映射表。

iotable_init函數(shù)的參數(shù)有兩個：一個是map_desc類型的結(jié)構(gòu)體，另一個是該結(jié)構(gòu)體的數(shù)量nr。這里最關(guān)鍵的就是struct map_desc。map_desc結(jié)構(gòu)體定義如下：

/* include/asm-arm/mach/map.h */

struct map_desc {

unsigned long virtual;

unsigned long physical;

unsigned long length;

unsigned int type;

};

create_mapping( )函數(shù)就是通過map_desc提供的信息創(chuàng)建線性映射表的。

這樣的話我們就知道了創(chuàng)建I/O映射表的大致流程為：只要定義相應(yīng)I/O資源的map_desc結(jié)構(gòu)體，并將該結(jié)構(gòu)體傳給iotable_init函數(shù)執(zhí)行，就可以創(chuàng)建相應(yīng)的I/O資源到內(nèi)核虛擬地址空間的映射表了。

我們來看看s3c2410是怎么定義map_desc結(jié)構(gòu)體的(即上面iotable_init()函數(shù)內(nèi)的s3c_iodesc)。

[arch/arm/mach-s3c2410/CPU.c]

/* minimal IO mapping */

static struct map_desc s3c_iodesc[] __initdata = {

IODESC_ENT(GPIO),

IODESC_ENT(IRQ),

IODESC_ENT(MEMCTRL),

IODESC_ENT(UART)

};

IODESC_ENT宏如下：

#define IODESC_ENT(x) { (unsigned long)S3C24XX_VA_##x, S3C2410_PA_##x, S3C24XX_SZ_##x, MT_DEVICE }

展開后等價于：

static struct map_desc s3c_iodesc[] __initdata = {

{

.virtual = S3C24XX_VA_GPIO,

.physical = S3C24XX_PA_GPIO,

.length = S3C24XX_SZ_GPIO,

.type = MT_DEVICE

},

……

};

至此，我們可以比較清晰看到GPIO被靜態(tài)映射的過程，由于我們在前面的靜態(tài)映射中已經(jīng)做好了GPIO的映射，也就是我們寫GPIO相關(guān)驅(qū)動的時候可以如下配置引腳的原因：

s3c2410_gpio_cfgpin(xxx,xxx);

其實，s3c2410_gpio_cfgpin定義如下：

void s3c2410_gpio_cfgpin(unsigned int pin, unsigned int function)

{

void __iomem *base = S3C2410_GPIO_BASE(pin);

unsigned long mask;

unsigned long con;

unsigned long flags;

if (pin S3C2410_GPIO_BANKB) {

mask = 1 S3C2410_GPIO_OFFSET(pin);

} else {

mask = 3 S3C2410_GPIO_OFFSET(pin)*2;

}

local_irq_save(flags);

con = __raw_readl(base + 0x00);

con = ~mask;

con |= function;

__raw_writel(con, base + 0x00);

local_irq_restore(flags);

}

其中，比較關(guān)鍵的一個地方：

void __iomem *base = S3C2410_GPIO_BASE(pin);

這一行中，S3C2410_GPIO_BASE定義如下：

#define S3C2410_GPIO_BASE(pin) ((((pin) ~31) >> 1) + S3C24XX_VA_GPIO)

至此，GPIO的靜態(tài)映射就看得很明白了。

下面來看其他外設(shè)的靜態(tài)映射：

在s3c24xx_init_io()函數(shù)中，除了iotable_init()以為，還會在最后調(diào)用，

(CPU->map_io)(mach_desc, size);

而CPU的這個map_io在arch/arm/mach-s3c2410/cpu.c里面定義如下：

static struct cpu_table cpu_ids[] __initdata = {

{

.idcode = 0x32410000,

.idmask = 0xffffffff,

.map_io = s3c2410_map_io,

.init_clocks = s3c2410_init_clocks,

.init_uarts = s3c2410_init_uarts,

.init = s3c2410_init,

.name = name_s3c2410

},

...

}

再查看s3c2410_map_io(),函數(shù)代碼如下：

void __init s3c2410_map_io(struct map_desc *mach_desc, int mach_size)

{

/* register our io-tables */

iotable_init(s3c2410_iodesc, ARRAY_SIZE(s3c2410_iodesc));

iotable_init(mach_desc, mach_size);

}

接下來看結(jié)構(gòu)s3c2410_iodesc [arch/arm/mach-s3c2410/s3c2410.c]，代碼如下，

/* Initial IO mappings */

static struct map_desc s3c2410_iodesc[] __initdata = {

IODESC_ENT(USBHOST),

IODESC_ENT(USBDEV),

IODESC_ENT(CLKPWR),

IODESC_ENT(LCD),

IODESC_ENT(TIMER),

IODESC_ENT(ADC),

IODESC_ENT(WATCHDOG),

};

赫然發(fā)現(xiàn)IODESC_ENT(TIMER)這一行，結(jié)合之前GPIO的類似分析，IODESC_ENT宏如下：

#define IODESC_ENT(x) { (unsigned long)S3C24XX_VA_##x, S3C2410_PA_##x, S3C24XX_SZ_##x, MT_DEVICE }

至此，TIMER, USBHOST,USBDEV,lcd,adc,watchdog等的靜態(tài)映射都看得很明白了。