ARM Linux靜態映射分析

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

內核提供了一個重要的結構體STruct machine_desc ,這個結構體在內核移植中起到相當重要的作用,內核通過machine_desc結構體來控制系統體系架構相關部分的初始化。machine_desc結構體的成員包含了體系架構相關部分的幾個最重要的初始化函數，包括map_io,init_IRq, init_machine以及phys_io , TImer成員等。

machine_desc結構體定義如下：

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結構體通過MACHINE_START宏來初始化,這里以s3c2410平臺為例:

s3c2410 machine_desc結構體定義如下：

/* 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的的放置位置以及調用過程如下：

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，值為193.

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

#define MACH_TYPE_SMDK2410 193

由上發現，MACHINE_START主要是定義了struct machine_desc的類型，放在 section(.arch.info.init)，是初始化數據，其所占用的內存在內核起來之后將會被釋放。

這里的map_io成員即內核提供給用戶的創建外設I/O資源到內核虛擬地址靜態映射表的接口函數。map_io成員函數會在系統初始化過程中被調用,流程如下：

start_kernel -> setup_arch() --> paging_init()中被調用

struct machine_desc 結構體的各個成員函數在不同時期被調用：

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

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

3. map_io 在 setup_arch( ) --> paging_init( )被調用

其他主要都在 setup_arch() 中用到。

用戶可以在定義machine_desc結構體時指定map_io的接口函數，我們也正是這樣做的。

接下來我們繼續分析smdk2410_map_io的執行過程，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：

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最終調用iotable_init建立映射表。

iotable_init函數的參數有兩個：一個是map_desc類型的結構體，另一個是該結構體的數量nr。這里最關鍵的就是struct map_desc。map_desc結構體定義如下：

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

struct map_desc {

unsigned long virtual;

unsigned long physical;

unsigned long length;

unsigned int type;

};

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

這樣的話我們就知道了創建I/O映射表的大致流程為：只要定義相應I/O資源的map_desc結構體，并將該結構體傳給iotable_init函數執行，就可以創建相應的I/O資源到內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結構體的(即上面iotable_init()函數內的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被靜態映射的過程，由于我們在前面的靜態映射中已經做好了GPIO的映射，也就是我們寫GPIO相關驅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的靜態映射就看得很明白了。

下面來看其他外設的靜態映射：

在s3c24xx_init_io()函數中，除了iotable_init()以為，還會在最后調用，

(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);

}

接下來看結構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),

};

赫然發現IODESC_ENT(TIMER)這一行，結合之前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等的靜態映射都看得很明白了。