Linux操作寄存器前为什么要ioremap

1. 原因

这里只考虑有 MMU 的芯片，Linux 为了实现进程虚拟地址空间，在启用 MMU 后，在内核中操作的都是虚拟地址，内核访问不到物理地址。
如果在驱动里直接访问物理地址，等于访问了一个非法地址，会导致内核崩溃，下面会有一个相关的小实验。
通过 ioremap 将物理地址映射为虚拟地址后，内核就能通过 ioremap() 返回的虚拟地址，以虚拟地址->mmu页表映射-> 物理地址的形式正确地访问到物理地址了。
ARM Linux 引入设备树特性后，一些支持设备树的设备驱动不再使用直接 ioremap()，改用 drivers/of/address.c/of_iomap()，of_iomap() 的内部仍然会调用 ioremap()，例如：

clk-rk3288.c (drivers\clk\rockchip)
static void rk3288_clk_init(struct device_node *np) {rk3288_cru_base = of_iomap(np, 0);[...]
}

2. ioremap() 实验

实验环境：

Linux-4.14 + Allwinner/H3。

实验代码：

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/sched.h>
#include <asm/io.h>#define USE_IOREMAP#define H3_GPIO_BASE (0x01C20800)static volatile unsigned long *gpio_regs = NULL;static int __init ioremap_mod_init(void)
{int i = 0;printk(KERN_INFO "ioremap_mod init\n");#ifdef USE_IOREMAPgpio_regs = (volatile unsigned long *)ioremap(H3_GPIO_BASE, 1024);
#elsegpio_regs = (volatile unsigned long *)H3_GPIO_BASE;
#endiffor (i=0; i<3; i++)printk(KERN_INFO "reg[%d] = %lx\n", i, gpio_regs[i]);return 0;
}
module_init(ioremap_mod_init);static void __exit ioremap_mod_exit(void)
{printk(KERN_INFO "ioremap_mod exit\n ");#ifdef USE_IOREMAPiounmap(gpio_regs);
#endif 
}module_exit(ioremap_mod_exit);MODULE_AUTHOR("es-hacker");
MODULE_LICENSE("GPL v2");

实验结果：

使用了 ioremap()

$ insmod ioremap
ioremap_mod init
reg[0] = 71227722
reg[1] = 33322177
reg[2] = 773373

未使用 ioremap():

$ insmod ioremap_mod.koUnable to handle kernel paging request at virtual address 01c20800
pgd = c9ece7c0
[01c20800] *pgd=6ddd7003, *pmd=00000000
Internal error: Oops: 206 [#1] SMP ARM
CPU: 1 PID: 1253 Comm: insmod Tainted: G           O    4.14.111 #116
Hardware name: sun8i
task: ef15d140 task.stack: edc50000
PC is at ioremap_mod_init+0x3c/0x1000 [ioremap_mod]
LR is at ioremap_mod_init+0x14/0x1000 [ioremap_mod]
pc : [<bf5d903c>]    lr : [<bf5d9014>]    psr: 600e0013
sp : edc51df8  ip : 00000007  fp : 118fa95c
r10: 00000001  r9 : ee7056c0  r8 : bf5d6048
r7 : bf5d6000  r6 : 00000000  r5 : bf5d6200  r4 : 00000000
r3 : 01c20800  r2 : 01c20800  r1 : 00000000  r0 : bf5d5048
Flags: nZCv  IRQs on  FIQs on  Mode SVC_32  ISA ARM  Segment user
Control: 30c5387d  Table: 49ece7c0  DAC: b106c794
Process insmod (pid: 1253, stack limit = 0xedc50210)[<bf5d903c>] (ioremap_mod_init [ioremap_mod]) from [<c0201a70>] (do_one_initcall+0x40/0x16c)
[<c0201a70>] (do_one_initcall) from [<c02b20c8>] (do_init_module+0x60/0x1f0)
[<c02b20c8>] (do_init_module) from [<c02b1214>] (load_module+0x1b48/0x2250)
[<c02b1214>] (load_module) from [<c02b1ad8>] (SyS_finit_module+0x8c/0x9c)
[<c02b1ad8>] (SyS_finit_module) from [<c0221f80>] (ret_fast_syscall+0x0/0x4c)
Code: e5953000 e3050048 e1a01004 e34b0f5d (e7932104) 
---[ end trace 928c64a33a054308 ]---
Segmentation fault

3. ioremap() 的实现内幕

ioremap() 的实现内幕会涉及到比较多的内存管理的知识，这里我们抛开代码细节简单了解一下原理就好。

ioremap() 将 vmalloc 区的某段虚拟内存块映射到 io memory，其实现原理与vmalloc() 类似，都是通过在 vmalloc 区分配虚拟地址块，然后修改内核页表的方式将其映射到设备的 I/O 地址空间。
与 vmalloc() 不同的是，ioremap 并不需要通过伙伴系统去分配物理页，因为ioremap 要映射的目标地址是 io memory，不是物理内存 (RAM)。

函数调用流程：