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LINUX下I/O资源的实现、管理和操作

发布日期：2007-5-11 10:23:59 作者：未知出处：不祥

s指向下一个兄弟资源节点，从而继续扫描链表中的下一个子资源节点。

　　3．2．5 分配接口allocate_resource()

　　在find_resource()函数的基础上，函数allocate_resource()实现：在一颗资源树中分配一条指定大小的、且包含在指定区域[min,max]中的、未使用资源区域。其源代码如下：

/*
* Allocate empty slot in the resource tree given range and alignment.
*/
int allocate_resource(struct resource *root, struct resource *new,
                      unsigned long size,
                      unsigned long min, unsigned long max,
                      unsigned long align,
                      void (*alignf)(void *, struct resource *, unsigned long),
                      void *alignf_data)
{
    int err;

    write_lock(&resource_lock);
    err = find_resource(root, new, size, min, max, align, alignf, alignf_data);
    if (err >= 0 && __request_resource(root, new))
        err = -EBUSY;
    write_unlock(&resource_lock);
    return err;
}

　　3．2．6 获取资源的名称列表

　　函数get_resource_list()用于获取根节点root的子资源名字列表。该函数主要用来支持/proc/文件系统（比如实现proc/ioports文件和/proc/iomem文件）。其源代码如下：

int get_resource_list(struct resource *root, char *buf, int size)
{
        char *fmt;
        int retval;

        fmt = "        %08lx-%08lx : %s
";
        if (root->end < 0x10000)
                fmt = "        %04lx-%04lx : %s
";
        read_lock(&resource_lock);
        retval = do_resource_list(root->child, fmt, 8, buf, buf + size) - buf;
        read_unlock(&resource_lock);
        return retval;
}

　　可以看出，该函数主要通过调用内部静态函数do_resource_list()来实现其功能，其源代码如下：

/*
* This generates reports for /proc/ioports and /proc/iomem
*/
static char * do_resource_list(struct resource *entry, const char *fmt,
　　int offset, char *buf, char *end)
{
        if (offset < 0)
                offset = 0;

        while (entry) {
                const char *name = entry->name;
                unsigned long from, to;

                if ((int) (end-buf) < 80)
                        return buf;

                from = entry->start;
                to = entry->end;
                if (!name)
                        name = "";

                buf += sprintf(buf, fmt + offset, from, to, name);
                if (entry->child)
                   buf = do_resource_list(entry->child, fmt, offset-2, buf, end);
                entry = entry->sibling;
        }

        return buf;
}

　　函数do_resource_list()主要通过一个while{}循环以及递归嵌套调用来实现，较为简单，这里就不在详细解释了。

3．3 管理I/O Region资源

　　Linux将基于I/O映射方式的I/O端口和基于内存映射方式的I/O端口资源统称为“I/O区域”（I/O Region）。I/O Region仍然是一种I/O资源，因此它仍然可以用resource结构类型来描述。下面我们就来看看Linux是如何管理I/O Region的。

　　3．3．1 I/O Region的分配

　　在函数__request_resource()的基础上，Linux实现了用于分配I/O区域的函数__request_region()，如下:

struct resource * __request_region(struct resource *parent,
　　unsigned long start, unsigned long n, const char *name)
{
        struct resource *res = kmalloc(sizeof(*res), GFP_KERNEL);

        if (res) {
                memset(res, 0, sizeof(*res));
                res->name = name;
                res->start = start;
                res->end = start + n - 1;
                res->flags = IORESOURCE_BUSY;

                write_lock(&resource_lock);

                for (;;) {
                        struct resource *conflict;

                        conflict = __request_resource(parent, res);
                        if (!conflict)
                                break;
                        if (conflict != parent) {
                                parent = conflict;
                                if (!(conflict->flags & IORESOURCE_BUSY))
                                        continue;
                        }

                        /* Uhhuh, that didn't work out.. */
                        kfree(res);
                        res = NULL;
                        break;
                }
                write_unlock(&resource_lock);
        }
        return res;
}

NOTE：

　　①首先，调用kmalloc（）函数在SLAB分配器缓存中分配一个resource结构。

　　②然后，相应的根据参数值初始化所分配的resource结构。注意！flags成员被初始化为IORESOURCE_BUSY。

　　③接下来，用一个for循环开始进行资源分配，循环体的步骤如下：

　　l 首先，调用__request_resource()函数进行资源分配。如果返回NULL，说明分配成功，因此就执行break语句推出for循环，返回所分配的resource结构的指针，函数成功地结束。

　　l 如果__request_resource()函数分配不成功，则进一步判断所返回的冲突资源节点是否就是父资源节点parent。如果不是，则将分配行为下降一个层次，即试图在当前冲突的资源节点中进行分配（只有在冲突的资源节点没有设置IORESOURCE_BUSY的情况下才可以），于是让parent指针等于conflict，并在conflict->flags&IORESOURCE_BUSY为0的情况下执行continue语句继续for循环。

　　l 否则如果相冲突的资源节点就是父节点parent，或者相冲突资源节点设置了IORESOURCE_BUSY标志位，则宣告分配失败。于是调用kfree（）函数释放所分配的resource结构，并将res指针置为NULL，最后用break语句推出for循环。

　　④最后，返回所分配的resource结构的指针。

　　3．3．2 I/O Region的释放

　　函数__release_region()实现在一个父资源节点parent中释放给定范围的I/O Region。实际上该函数的实现思想与__release_resource()相类似。其源代码如下：

void __release_region(struct resource *parent,
　　　　unsigned long start, unsigned long n)
{
        struct resource **p;
        unsigned long end;

        p = &parent->child;
        end = start + n - 1;

        for (;;) {
                struct resource *res = *p;

                if (!res)
                        break;
                if (res->start <= start && res->end >= end) {
                        if (!(res->flags & IORESOURCE_BUSY)) {
                                p = &res->child;
                                continue;
                        }
                        if (res->start != start'  'res->end != end)
                                break;
                        *p = res->sibling;
                        kfree(res);
                        return;
                }
                p = &res->sibling;
        }
        printk("Trying to free nonexistent resource <%08lx-%08lx>
", start, end);
}

　　类似地，该函数也是通过一个for循环来遍历父资源parent的child链表。为此，它让指针res指向当前正被扫描的子资源节点，指针p指向前一个子资源节点的sibling成员变量，p的初始值为指向parent->child。For循环体的步骤如下：

　　①让res指针指向当前被扫描的子资源节点（res＝*p）。

　　②如果res指针为NULL，说明已经扫描完整个child链表，所以退出for循环。

　　③如果res指针不为NULL，则继续看看所指定的I/O区域范围是否完全包含在当前资源节点中，也即看看[start,start+n-1]是否包含在res->[start,end]中。如果不属于，则让p指向当前资源节点的sibling成员，然后继续for循环。如果属于，则执行下列步骤：

　　l 先看看当前资源节点是否设置了IORESOURCE_BUSY标志位。如果没有设置该标志位，则说明该资源节点下面可能还会有子节点，因此将扫描过程下降一个层次，于是修改p指针，使它指向res->child，然后执行continue语句继续for循环。

　　l 如果设置了IORESOURCE_BUSY标志位。则一定要确保当前资源节点就是所指定的I/O区域，然后将当前资源节点从其父资源的child链表中去除。这可以通过让前一个兄弟资源节点的sibling指针指向当前资源节点的下一个兄弟资源节点来实现（即让*p=res->sibling），最后调用kfree（）函数释放当前资源节点的resource结构。然后函数就可以成功返回了。

　　3．3．3 检查指定的I/O Region是否已被占用

　　函数__check_region()检查指定的I/O Region是否已被占用。其源代码如下：

int __check_region(struct resource *parent, unsigned long start, unsigned long n)
{
        struct resource * res;

        res = __request_region(parent, start, n, "check-region");
        if (!res)
                return -EBUSY;

        release_resource(res);
        kfree(res);
        return 0;
}

　　该函数的实现与__check_resource()的实现思想类似。首先，它通过调用__request_region()函数试图在父资源parent中分配指定的I/O Region。如果分配不成功，将返回NULL，因此此时函数返回错误值－EBUSY表示所指定的I/O Region已被占用。如果res指针不为空则说明所指定的I/O Region没有被占用。于是调用__release_resource()函数将刚刚分配的资源释放掉（实际上是将res结构从parent的child链表去除），然后调用kfree（）函数释放res结构所占用的内存。最后，返回0值表示指定的I/O Region没有被占用。

3．4 管理I/O端口资源

　　我们都知道，采用I/O映射方式的X86处理器为外设实现了一个单独的地址空间，也即“I/O空间”（I/O Space）或称为“I/O端口空间”，其大小是64KB（0x0000－0xffff）。Linux在其所支持的所有平台上都实现了“I/O端口空间”这一概念。

　　由于I/O空间非常小，因此即使外设总线有一个单独的I/O端口空间，却也不是所有的外设都将其I/O端口（指寄存器）映射到“I/O端口空间”中。比如，大多数PCI卡都通过内存映射方式来将其I/O端口或外设内存映射到CPU的RAM物理地址空间中。而老式的ISA卡通常将其I/O端口映射到I/O端口空间中。

　　Linux是基于“I/O Region”这一概念来实现对I/O端口资源（I/O－mapped 或 Memory－mapped）的管理的。

　　3．4．1 资源根节点的定义

　　Linux在kernel/Resource.c文件中定义了全局变量ioport_resource和iomem_resource，来分别描述基于I/O映射方式的整个I/O端口空间和基于内存映射方式的I/O内存资源空间（包括I/O端口和外设内存）。其定义如下：

struct resource ioport_resource =
　　　　{ "PCI IO", 0x0000, IO_SPACE_LIMIT, IORESOURCE_IO };
struct resource iomem_resource =
　　　　{ "PCI mem", 0x00000000, 0xffffffff, IORESOURCE_MEM };

　　其中，宏IO_SPACE_LIMIT表示整个I/O空间的大小，对于X86平台而言，它是0xffff（定义在include/asm-i386/io.h头文件中）。显然，I/O内存空间的大小是4GB。

　　3．4．2 对I/O端口空间的操作

　　基于I/O Region的操作函数__XXX_region()，Linux在头文件include/linux/ioport.h中定义了三个对I/O端口空间进行操作的宏：①request_region()宏，请求在I/O端口空间中分配指定范围的I/O端口资源。②check_region()宏，检查I/O端口空间中的指定I/O端口资源是否已被占用。③release_region()宏，释放I/O端口空间中的指定I/O端口资源。这三个宏的定义如下：

#define request_region(start,n,name)
        __request_region(&ioport_resource, (start), (n), (name))
#define check_region(start,n)
        __check_region(&ioport_resource, (start), (n))
#define release_region(start,n)
        __release_region(&ioport_resource, (start), (n))

　　其中，宏参数start指定I/O端口资源的起始物理地址（是I/O端口空间中的物理地址），宏参数n指定I/O端口资源的大小。

　　3．4．3 对I/O内存资源的操作

　　基于I/O Region的操作函数__XXX_region()，Linux在头文件include/linux/ioport.h中定义了三个对I/O内存资源进行操作的宏：①request_mem_region()宏，请求分配指定的I/O内存资源。②check_ mem_region()宏，检查指定的I/O内存资源是否已被占用。③release_ mem_region()宏，释放指定的I/O内存资源。这三个宏的定义如下：

#define request_mem_region(start,n,name)
　　__request_region(&iomem_resource, (start), (n), (name))
#define check_mem_region(start,n)
        __check_region(&iomem_resource, (start), (n))
#define release_mem_region(start,n)
        __release_region(&iomem_resource, (start), (n))

　　其中，参数start是I/O内存资源的起始物理地址（是CPU的RAM物理地址空间中的物理地址），参数n指定I/O内存资源的大小。

　　3．4．4 对/proc/ioports和/proc/iomem的支持

　　Linux在ioport.h头文件中定义了两个宏：

　　get_ioport_list()和get_iomem_list()，分别用来实现/proc/ioports文件和/proc/iomem文件。其定义如下：

#define get_ioport_list(buf) get_resource_list(&ioport_resource, buf, PAGE_SIZE)
#define get_mem_list(buf)        get_resource_list(&iomem_resource, buf, PAGE_SIZE)

3．5 访问I/O端口空间

　　在驱动程序请求了I/O端口空间中的端口资源后，它就可以通过CPU的IO指定来读写这些I/O端口了。在读写I/O端口时要注意的一点就是，大多数平台都区分8位、16位和32位的端口，也即要注意I/O端口的宽度。

　　Linux在include/asm/io.h头文件（对于i386平台就是include/asm-i386/io.h）中定义了一系列读写不同宽度I/O端口的宏函数。如下所示：

　　⑴读写8位宽的I/O端口

　　unsigned char inb（unsigned port）；
　　void outb（unsigned char value，unsigned port）；

　　其中，port参数指定I/O端口空间中的端口地址。在大多数平台上（如x86）它都是unsigned short类型的，其它的一些平台上则是unsigned int类型的。显然，端口地址的类型是由I/O端口空间的大小来决定的。

　　⑵读写16位宽的I/O端口

　　unsigned short inw（unsigned port）；
　　void outw（unsigned short value，unsigned port）；

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