首页
登录 | 注册

linux设备驱动归纳总结(五):1.在内核空间分配内存

linux设备驱动归纳总结(五):1.在内核空间分配内存


xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

一般的,用户空间使用函数malloc在堆上分配内存空间,同样的,在内核空间同样有一套类似的函数来分配空间。下面的知识会涉及页式管理的内存机制,如果不懂的要先复习一下,在S3C2440数据手册的MMU部分有介绍。

xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx


一、内核空间和用户空间有什么不同


c语言的时候应该学过,从用户空间看,每个进程都傻乎乎的以为自己有4G的内存空间,其中位于高地址(3G-4G)的1G空间给内核用,另外的3G0-3G)都是它一个人独占的。所以用户空间很慷慨的把3G的空间分了好几个区域,如堆、栈、代码段等。其中,malloc()分配的空间位于堆,而程序中的自动变量,如你在函数内定义的“int i”,它是放在栈上,同时。用户空间的栈是可变栈,即随着数据的增多,对应函数的栈空间也会增多。


跟每个用户空间的进程不一样,内核只有1G的空间,同时,除了自己本身有进程运行外,内核还要允许用户空间进程调用系统调用进入内核空间去执行。所以,内核对此相当吝啬,它规定在内核中的每个进程都只有4KB8KB32位下)的定长栈。出于这样的原因,大的数据结构就不能在栈中分配,只能请求内核分配新的空间来存放数据,如函数kmalloc()


xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx


二、内存的基本单位是字节吗?


在介绍分配内存空间的函数前,我们还要了解一下内存是怎么被划分的。


内核不仅知道用户空间中看到的1G内核空间是假的,它还知道实际的物理内存是多少(我的开发板是64M)。所以,内核的其中一个任务就是,当这段虚假内存中的数据需要调用时,内核把这段虚拟内存与实际的物理内存对应上,运行完后又把两段内存的对应关系撤销掉给另外的虚拟内存用。


既然知道虚拟内存与物理内存的关系,那它们是怎么对应的,难道是一个一个字节?如果这样子做的话内核肯定觉得崩溃。


页是内存管理的基本单位。内存管理器(MMU,用于虚拟地址与物理地址之间的转换)通常以页为单位进行出来。页是内存管理的最小单位。在32位的系统中,一页的大小为4KB。所以,64M的物理内存将被分为16384个页。每一个物理页对应地用一个struct page来维护,注意,该结构体是用来维护物理页,而不是虚拟也,结构体记录该页是否被使用,对应的虚拟地址是多少等信息。


由于内存访问的限制,内核又把内存分成了3个区。

如有些硬件的访问只能在24位的地址空间寻址,出于这总访问限制,linux把前16MB划分为ZONE_DMA——用于直接内存访问(MDA)。

x86体系里,高于896M的内存空间称为高端内存,这段内存区域的页和普通的内存页操作后有差异,这段区域划分为ZONE_HIGHMEM

剩下的,加载这两段区域之间的就是我们平时用的普通内存区域——ZONE_NORMAL


这这里要注意一下:

1)这些分区是指linux自己分的,当然,如果普通分区不够用,当然也可以占用其他区的空间。

2)分区的大小是根据体系结构而定的,一般的ARM下,ZONE_NORMAL就是所有的可用内存区域。


xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx


三、分配内存时使用的标记gfp_mask


在讲如何分配内存之前,先讲一下分配内存时将会用到的gfp_mask。简单地讲,这个标记指定了分配内存时的要求。具体分三类:

行为修饰符:表示内核应当如何分配内存,如指定不能休眠等。

区修饰符:指定内存将要分配到上面讲的三个区中的哪一个。

类型标记:这包含了上面两种修饰符(或运算),这些标记是为了让用户更好地去使用。


标记有很多,我这里不一一介绍,需要的可以自己查阅《linux内核设计与实现(第三版)》P238页。这里我讲两个常用的类型标记:

1GFP_KERNEL:最常用的标记,用于可睡眠的进程上下文。

2GFP_ATOMIC:使用了这个标记,内存分配函数不会引起随眠

3GFP_USER:当需要给用户空间分配内存空间时使用该标记。


xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx


四、分配内存的第一种方法——按页分配


这是内核提供的一种请求内存的底层机制,都是以页为单位分配内存。以下函数包含在


这分为两个步骤:

1、请求内核分配页,获得物理页对应的结构体struct page

static inline struct page * alloc_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order)

使用:

该函数用于申请(1<2other次方个连续物理页,gfp_mask用于指定分配的方式,一般使用GFP_KERNELGFP_ATOMIC注意:函数会引起睡眠

返回值:

成功返回一个指针,指向这连续物理页的第一个struct page结构体,失败返回NULL

2、分配页后还不能直接用,需要得到该页对应的虚拟地址:

void *page_address(struct page *page)

其实这个函数就是获取page的成员virtual,但千万不要直接访问,需要使用这个函数。函数返回的是物理页对应的虚拟地址,注意,如果你申请了多个物理页,分配的物理页是连续的,对应的虚拟地址也是连续的。


上面的两个步骤其实可以合成一个函数:

unsigned long __get_free_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order)

这个函数的传参和alloc_pages的一样,不过它直接返回申请的物理页对应的虚拟地址。


当然,无论使用上面的哪种方法,当内存不用时,需要调用函数释放:

1、如果你使用上面的第一种方法:

void __free_pages(struct page *page, unsigned int order)

2、如果你使用的是第二种方法:

void free_pages(unsigned long addr, unsigned int order)


下面来个程序:

/*5th_mm/5th_mm_1/1st/test.c*/

1 #include

2 #include

3

4 #include

5

6 struct page *p;

7 char *s;

8

9 static int __init test_init(void) //模块初始化函数

10 {

11 unsigned long virt, phys;

12

13 #define SWITCH 0 //通过定义这个来切换校验这两种不同的方法

14 #if SWITCH

15 //alloc 2 pages

16 p = alloc_pages(GFP_KERNEL, 1);

17 if (NULL == p){ //必须检验错误

18 printk("alloc page error!\n");

19 return - ENOMEM;

20 }

21 s = page_address(p);

22 #else

23 s = (char *)__get_free_pages(GFP_KERNEL, 1);

24 if (NULL == s){

25 printk("alloc page error!\n");

26 return - ENOMEM;

27 }

28 #endif

29

30 phys = __pa((unsigned long)s); //通过虚拟地址获得对应的物理地址

31 virt = (unsigned long)__va(phys); //通过物理地址获得对应的虚拟地址

32 printk("virtual, s>[%p]\n", s); //打印获得的虚拟地址

33 printk("[%p]\n", (void *)phys); //打印对应的物理地址

34 printk("[%p]\n", (void *)virt); //再打印虚拟地址,其实就是分配函数返回的地址

35

36 memcpy(s, "hello mm", 20);

37

38 printk("hello kernel\n");

39 return 0;

40 }

41

42 static void __exit test_exit(void) //模块卸载函数

43 {

44 #if SWITCH

45 __free_pages(p, 1);

46 #else

47 free_pages((unsigned long)s, 1);

48 #endif

49

50 printk("good bye kernel\n");

51 }

52

53 module_init(test_init);

54 module_exit(test_exit);

55

56 MODULE_LICENSE("GPL");

57 MODULE_AUTHOR("xoao bai");

58 MODULE_VERSION("v0.1");

再检验一下:

[root: 1st]# insmod test.ko

virtual, s>[c3968000] //虚拟地址

[33968000] //对应的实际地址

[c3968000]

hello kernel [hello mm] //打印出来了,hello美眉!


上面我分配了两页后什么也没做,当然,如果你要是只分配一页,内核有贴心函数:

#define alloc_page(gfp_mask) alloc_pages(gfp_mask, 0)

#define __get_free_page(gfp_mask) __get_free_pages((gfp_mask),0)

另外还有一个函数,不仅给你分配一页空间,还帮你清零了,特别适用于给用户空间分配内存。

nsigned long get_zeroed_page(gfp_t gfp_mask)


xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx


五、分配内存的第二种方法——kmalloc()


kmalloc()的用法和malloc差不多,只是多了一个我前面介绍的标志gfp_flag

上函数,需要包含头文件

void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags)

成功返回指向这块内存的地址(虚拟地址),失败返回NULL。这里注意一下,返回的内存大小不一定是size,因为内存的分配是基于页来分配的,有时需要地址对齐之类,所有分配的内存地址可能比size大。函数同样会引起睡眠,如果不能睡眠需要使用GFP_ATOMIC

分配的内存必须释放,使用函数:

void kfree(const void *objp)


上个程序:

/*5th_mm_1/2nd/test.c*/

1 #include

2 #include

3

4 #include

5

6 char *s;

7

8 static int __init test_init(void) //模块初始化函数

9 {

10 s = kmalloc(20, GFP_KERNEL);

11 memcpy(s, "hello mm", 20);

12

13 printk("hello kernel [%s]\n", s);

14 return 0;

15 }

16

17 static void __exit test_exit(void) //模块卸载函数

18 {

19 kfree(s);

20 printk("good bye kernel\n");

21 }

22

23 module_init(test_init);

24 module_exit(test_exit);

25

26 MODULE_LICENSE("GPL");

27 MODULE_AUTHOR("xoao bai");

28 MODULE_VERSION("v0.1");

再验证一下:

[root: 2nd]# insmod test.ko

hello kernel [hello mm] //又打印出来了


xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx


六、其他的内存分配函数——vmalloc


有时候,内核不一定会有很大的一块连续物理内存,这时候kmalloc就不能处理这种情况了,它只能是分配连续的物理内存。需要用以下的函数vmalloc

分配:

void * vmalloc(unsigned long size);

同样的,成功返回首地址,失败返回NULL,切记这个函数会引起睡眠。而且没有标志可选。

释放:

void vfree(void *addr);

当指定的size没有真够大的连续空间时,这个函数就会像捡破烂一样,东捡一块西捡一块,凑成满足大小的物理内存,并连在一起形成连续的虚拟内存再把首地址返回,所以这个函数的操作很麻烦,出于性能的考虑,能不用的话尽量不用。


xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx


七、slab


为了方便一些频繁被使用的数据,内核有了slab层的概念。大概意思就是,在告诉内存空间里面,内核定义多了slab(其实就是一页),这些页可以预先定义成用来存放什么数据。这样的话就方便了,当有这样的数据要存放,进程就可以申请放在slab层,这样的话就省去了内存分配和释放的操作。具体的介绍请看《linux内核设计与实现(第三版)》P245


xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx


八、总结


这节讲了内核是如何管理和分配内存了,还重点介绍了最常用的内存分配方法kmalloc


xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

源代码: 5th_mm_1.rar  


相关文章

  • 平台设备/驱动的注册 Platform_device_register向系统注册设备:Platform_driver_register向系统注册驱动,过程中在系统寻找注册的设备(根据.name),找到后运行.probe进行初始化.所以Pla ...
  • Linux驱动先注册总线,总线上可以先挂device,也可以先挂driver,那么究竟怎么控制先后的顺序呢. Linux系统使用两种方式去加载系统中的模块:动态和静态. 静态加载:将所有模块的程序编译到Linux内核中,由do_initca ...
  • linux RTC 驱动模型分析
    linux RTC 驱动模型分析         RTC(real time clock)实时时钟,主要作用是给Linux系统提供时间.RTC因为是电池供电的,所以掉电后时间不丢失.Linux内核把RTC用作"离线"的时 ...
  • Linux  I2C驱动分析(一)----I2C架构和总线驱动
    一.I2C总线原理         I2C是一种常用的串行总线,由串行数据线SDA 和串线时钟线SCL组成.I2C是一种多主机控制总线,它和USB总线不同,USB是基于master-slave机制,任何设备的通信必须由主机发起才可以,而 I ...
  • 使用udev管理 Linux 设备文件 防止盘符改变
    概述:      Linux 用户常常会很难鉴别同一类型的设备名,比如 eth0, eth1, sda, sdb 等等.通过观察这些设备的内核设备名称,用户通常能知道这些是什么类型的设备,但是不知道哪一个设备是他们想要的.例如,在一个充斥着 ...
  • Linux USB驱动框架分析(一)    事实上,Linux的设备驱动都遵循一个惯例--表征驱动程序的结构体,结构体里面应该包含了驱动程序所需要的所有资源.用术语来说,就是这个驱动器对象所拥有的属性及成员.这个结构体的名字由驱动开发人员决 ...
  • 一.i2c-dev驱动分析 1.1.设备驱动注册         分析这个驱动,还是从module_init()和module_exit()开始,程序如下: static int __init i2c_dev_init(void) {    ...

2020 bnee小站 webmaster#bnee.net
12 q. 0.102 s.
湘ICP备19013596号-2