一、内核内存管理框架

内核将物理内存等分成N块4KB，称之为一页，每页都用一个struct page来表示，采用伙伴关系算法维护

内核地址空间划分图：

3G~3G+896M：低端内存，直接映射 虚拟地址 = 3G + 物理地址

​ 细分为：ZONE_DMA、ZONE_NORMAL

​ 分配方式：

					1. kmalloc:小内存分配，slab算法2. get_free_page：整页分配，2的n次方页，n最大为10

大于3G+896M：高端内存

​ 细分为：vmalloc区、持久映射区、固定映射区

​ 分配方式：vmalloc：虚拟地址连续，物理地址不连续

​

二、内核中常用动态分配

2.1 kmalloc（效率高，申请空间小）

​ 函数原型：

void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags);

kmalloc() 申请的内存位于直接映射区域，而且在物理上也是连续的，它们与真实的物理地址只有一个固定的偏移，因为存在较简单的转换关系，所以对申请的内存大小有限制，不能超过128KB。
　　
较常用的 flags（分配内存的方法）：

• GFP_ATOMIC —— 分配内存的过程是一个原子过程，分配内存的过程不会被（高优先级进程或中断）打断。一般异常上下文用这个，因为他申请内存时不会被打断，申请失败直接返回；
• GFP_KERNEL —— 正常分配内存。一般任务上下文用这个，因为申请内存时如果没有可以忙等待；
• GFP_DMA —— 给 DMA 控制器分配内存，需要使用该标志（DMA要求分配虚拟地址和物理地址连续）。

flags 的参考用法：
　|– 进程上下文，可以睡眠　　　　　 GFP_KERNEL
　|– 异常上下文，不可以睡眠　　　　 GFP_ATOMIC
　|　　|– 中断处理程序　　　　　　　GFP_ATOMIC
　|　　|– 软中断　　　　　　　　　　GFP_ATOMIC
　|　　|– Tasklet　 　　 　　　　　　 GFP_ATOMIC
　|– 用于DMA的内存，可以睡眠　　　GFP_DMA | GFP_KERNEL
　|– 用于DMA的内存，不可以睡眠　　GFP_DMA |GFP_ATOMIC
　　
对应的内存释放函数为：

void kfree(const void *objp);

void *kzalloc(size_t size, gfp_t flags)

2.2 vmalloc（效率低，申请空间大）

void *vmalloc(unsigned long size);

vmalloc() 函数则会在虚拟内存空间给出一块连续的内存区，但这片连续的虚拟内存在物理内存中并不一定连续。由于 vmalloc() 没有保证申请到的是连续的物理内存，因此对申请的内存大小没有限制，如果需要申请较大的内存空间就需要用此函数了。

对应的内存释放函数为：

void vfree(const void *addr);

注意：vmalloc() 和 vfree() 可以睡眠，因此不能从异常上下文调用。

2.3 kmalloc & vmalloc 的比较

kmalloc()、kzalloc()、vmalloc() 的共同特点是：

1. 用于申请内核空间的内存；
2. 内存以字节为单位进行分配；
3. 所分配的内存虚拟地址上连续；

kmalloc()、kzalloc()、vmalloc() 的区别是：

1. kzalloc 是强制清零的 kmalloc 操作；（以下描述不区分 kmalloc 和 kzalloc）
2. kmalloc 分配的内存大小有限制（128KB），而 vmalloc 没有限制；
3. kmalloc 可以保证分配的内存物理地址是连续的，但是 vmalloc 不能保证；
4. kmalloc 分配内存的过程可以是原子过程（使用 GFP_ATOMIC），而 vmalloc 分配内存时则可能产生阻塞；
5. kmalloc 分配内存的开销小，因此 kmalloc 比 vmalloc 要快；

一般情况下，内存只有在要被 DMA 访问的时候才需要物理上连续，但为了性能上的考虑，内核中一般使用 kmalloc()，而只有在需要获得大块内存时才使用 vmalloc()。

2.4 分配选择原则：

1. 小内存（< 128k）用kmalloc,大内存用vmalloc或get_free_page
2. 如果需要比较大的内存，并且要求使用效率较高时用get_free_page,否则用vmalloc

init函数

三、IO访问-------访问外设控制器的寄存器

两种方式：

1. IO端口：X86上用IO指令访问
2. IO内存：外设寄存器在SOC芯片手册上都有相应物理地址

IO内存访问接口：

static inline void __iomem *ioremap(unsigned long offset, unsigned long size)
/*
功能：实现IO管脚的映射
参数：offset:该管脚的偏移地址Size:该管脚映射空间的大小
返回值：成功返回映射的虚拟地址,失败NULL
*/static inline void iounmap(volatile void __iomem *addr)
/*
功能：解除io管脚的映射
参数：addr:io管脚映射的地址
*/unsigned readb(void *addr);//1字节   或ioread8(void *addr)
unsigned readw(void *addr);//2字节   或ioread16(void *addr)
unsigned readl(void *addr);//4字节   或ioread32(void *addr)
/*
功能：读取寄存器的值
参数：addr  地址
返回值：读到的数据
*/void writeb(unsigned value, void *addr);//1字节   或iowrite8(u8 value, void *addr)
void writew(unsigned value, void *addr);//2字节  或iowrite16(u16 value, void *addr)
void writel(unsigned value, void *addr);//4字节  或iowrite32(u32 value, void *addr)
/*功能：向指定的寄存器中，写入数据。参数：value：待写入寄存器中的数据Address：寄存器的虚拟地址
*/

四、led驱动

1. 读原理图
   
2. 查阅SOC芯片手册
   

GPX2_7 led2    GPX2CON----0x11000C40---28~31-----0001 	GPX2DAT-----0x11000C44-----7GPX1_0 led3    GPX1CON----0x11000C20---0~3-----0001     	GPX1DAT----0x11000C24-----0GPF3_4 led4    GPF3CON----0x114001E0---16~19-----0001  	GPF3DAT----0x114001E4-----4GPF3_5 led5    GPF3CON----0x114001E0---20~23-----0001  	GPF3DAT----0x114001E4-----5

3. 编写驱动

   a. 设计设备数据类型

   str uct myled_dev
   {struct cdev mydev;unsigned long * led2con;unsigned long * led2dat;unsigned long * led3con;unsigned long * led3dat;unsigned long * led4con;unsigned long * led4dat;unsigned long * led5con;unsigned long * led5dat;
   };
   

   b. 考虑需要支持的函数

   c. 模块入口：ioremap + 设置成输出

   d. 模块出口：iounmap

   e. 编写关灯函数和开灯函数，实现ioctl

led内核驱动代码

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include "leddrv.h"   //自己写的.h用“”引用，库用<>引用#define GPX1CON 0X11000C20 		//寄存器地址
#define GPX1DAT 0X11000C24#define GPX2CON 0X11000C40
#define GPX2DAT 0X11000C44#define GPX3CON 0X114001E0
#define GPX3DAT 0X114001E4int major = 11;			//主设备号
int minor = 0;			//次设备号
int myled_num = 1;		//设备数量struct myled_dev		//led设备结构体
{struct cdev mydev;	//设备结构体volatile unsigned long *pled2_con;   //volatile：防止编译器优化volatile unsigned long *pled2_dat;		volatile unsigned long *pled3_con;	 //con寄存器地址volatile unsigned long *pled3_dat;	 //dat寄存器地址	volatile unsigned long *pled4_con;volatile unsigned long *pled4_dat;volatile unsigned long *pled5_con;volatile unsigned long *pled5_dat;      
};struct myled_dev *pgmydev = NULL;     //定义一个设备结构体变量，用于调用结构体成员int myled_open(struct inode *pnode,struct file *pfile)	//打开文件函数
{																					//inode类型结构体中i_cdev是mydev的地址														pfile->private_data = (void *) (container_of(pnode->i_cdev,struct myled_dev,mydev));//知道成员地址可以得出结构体地址return 0;																		
}int myled_close(struct inode *pnode,struct file *pfile)
{return 0;
}
//参数一：灯设备机构体。参数二：打开那个灯(2-5)
void led_on(struct myled_dev *pmydev,int ledno)			//灯打开函数
{switch(ledno){case 2:			//读出pmydev->pled2_dat寄存器值或上1左移7位，然后在写入pmydev->pled2_dat寄存器实现点灯writel(readl(pmydev->pled2_dat) | (0x1 << 7),pmydev->pled2_dat);break;case 3:writel(readl(pmydev->pled3_dat) | (0x1),pmydev->pled3_dat);break;case 4:writel(readl(pmydev->pled4_dat) | (0x1 << 4),pmydev->pled4_dat);break;case 5:writel(readl(pmydev->pled5_dat) | (0x1 << 5),pmydev->pled5_dat);break;}
}void led_off(struct myled_dev *pmydev,int ledno)		//灯关闭函数
{switch(ledno){case 2:writel((readl(pmydev->pled2_dat) & (~(0x1 << 7))),pmydev->pled2_dat);break;case 3:writel((readl(pmydev->pled3_dat) & (~(0x1))),pmydev->pled3_dat);break;case 4:writel((readl(pmydev->pled4_dat) & (~(0x1 << 4))),pmydev->pled4_dat);break;case 5:writel((readl(pmydev->pled5_dat) & (~(0x1 << 5))),pmydev->pled5_dat);break;}
}
//参数一：文件描述符用于寻找设备结构体地址 参数二：app对驱动进行控制的参数 参数三：整型变量app传参操作驱动里面的函数
long myled_ioctl(struct file *pfile,unsigned int cmd,unsigned long arg)     //控制函数
{struct myled_dev *pmydev = (struct myled_dev *)pfile->private_data;		if(arg < 2 || arg > 5)		//要点亮几号灯范围2-5{return -1;}switch (cmd)					//进行开灯或者关灯{case MY_LED_ON:led_on(pmydev,arg);break;case MY_LED_OFF:led_off(pmydev,arg);break;	default:return -1;}return 0;
}
struct file_operations myops = {					//设备的操作函数，自己写的子函数必须在这儿与内核函数关联起来才能被调用.owner = THIS_MODULE,.open = myled_open,.release = myled_close,.unlocked_ioctl = myled_ioctl,
};
void ioremap_ledreg(struct myled_dev *pmydev)			//将设备结构体成员变量进行对设备硬件地址的映射
{pmydev->pled2_con = ioremap(GPX2CON,4);			//ioreamp参数一：十六进制地址的值  参数二：地址所占字节pmydev->pled2_dat = ioremap(GPX2DAT,4);pmydev->pled3_con = ioremap(GPX2CON,4);pmydev->pled3_dat = ioremap(GPX2DAT,4);pmydev->pled4_con = ioremap(GPX3CON,4);pmydev->pled4_dat = ioremap(GPX3DAT,4);      pmydev->pled5_con = pmydev->pled4_con;pmydev->pled5_dat = pmydev->pled4_dat;            
}void set_output_ledconreg(struct myled_dev *pmydev)			//io口初始化函数
{writel((readl(pmydev->pled2_con) & (~(0xF << 28))) | (0X1 << 28),pmydev->pled2_con);writel((readl(pmydev->pled3_con) & (~(0xF))) | (0X1),pmydev->pled3_con);writel((readl(pmydev->pled4_con) & (~(0xF << 16))) | (0X1 << 16),pmydev->pled4_con);writel((readl(pmydev->pled5_con) & (~(0xF << 20))) | (0X1 << 20),pmydev->pled5_con);writel((readl(pmydev->pled2_dat) & (~(0x1 << 7))),pmydev->pled2_dat);writel((readl(pmydev->pled3_dat) & (~(0x1))),pmydev->pled3_dat);writel((readl(pmydev->pled4_dat) & (~(0x1 << 4))),pmydev->pled4_dat);writel((readl(pmydev->pled5_dat) & (~(0x1 << 5))),pmydev->pled5_dat);}void iounmap_ledreg(struct myled_dev *pmydev)			//io口清除函数
{iounmap(pmydev->pled2_con);pmydev->pled2_con = NULL;iounmap(pmydev->pled2_dat);pmydev->pled2_dat = NULL;       iounmap(pmydev->pled3_con);pmydev->pled3_con = NULL;iounmap(pmydev->pled3_dat);pmydev->pled3_dat = NULL;      iounmap(pmydev->pled4_con);pmydev->pled4_con = NULL;iounmap(pmydev->pled4_dat);pmydev->pled4_dat = NULL;     pmydev->pled5_con = NULL;pmydev->pled5_dat = NULL;      
}int __init myled_init(void)				
{int ret = 0;dev_t devno = MKDEV(major,minor);				//将主次设备号合成一个32位的设备号/*申请设备号*/ret = register_chrdev_region(devno,myled_num,"myled");	if(ret){ret = alloc_chrdev_region(&devno,minor,myled_num,"myled");		//手动申请失败时自动申请if(ret){printk("get devno failed\n");return -1;}major = MAJOR(devno);}pgmydev = (struct myled_dev *)kmalloc(sizeof(struct myled_dev),GFP_KERNEL);//给设备结构体申请一块内存，kmalloc是申请小内存效率高。GFP_KERNEL是可以进行忙等待，因为这个是任务上下文if(NULL == pgmydev)			//申请失败{unregister_chrdev_region(devno,myled_num);	//取消注册设备号printk("kmalloc failed\n");return -1;}memset(pgmydev,0,sizeof(struct myled_dev));		//给结构体变量赋初值/*给struct cdev对象指定操作函数集*/cdev_init(&pgmydev->mydev,&myops);				/*将struct cdev对象添加到内核对应的数据结构里*/pgmydev->mydev.owner = THIS_MODULE;cdev_add(&pgmydev->mydev,devno,myled_num);/*ioremap*/ioremap_ledreg(pgmydev);/**/set_output_ledconreg(pgmydev);return 0;
}void __exit myled_exit(void)
{dev_t devno = MKDEV(major,minor);/*iounmap*/iounmap_ledreg(pgmydev);cdev_del(&pgmydev->mydev);unregister_chrdev_region(devno,myled_num);kfree(pgmydev);pgmydev = NULL;
}MODULE_LICENSE("GPL");module_init(myled_init);
module_exit(myled_exit);

leddrv.h

#ifndef LED_DRIVER_H
#define LED_DRIVER_H#define LED_DEV_MAGIC 'g'#define MY_LED_OFF _IO(LED_DEV_MAGIC,0)
#define MY_LED_ON  _IO(LED_DEV_MAGIC,1)#endif

app

#include 
#include 
#include 
#include 
#include "leddrv.h"
#include 
#include int main(int argc,char *argv[])
{int fd = -1;int onoff = 0;int no = 0;if(argc < 4){printf("The argument is too few\n");return -1;}sscanf(argv[2],"%d",&onoff);sscanf(argv[3],"%d",&no);if(no < 2 || no > 5){printf("len-on is invalid\n");return 2;}fd = open(argv[1],O_RDONLY);if(fd < 0){printf("open %s failed\n",argv[1]);return 3;}if(onoff){ioctl(fd,MY_LED_ON,no);}else{ioctl(fd,MY_LED_OFF,no);}close(fd);fd = -1;return 0;
}