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控制硬體

資料來源:http://silverfoxkkk.pixnet.net/blog/post/43026733-lddp%3A%E4%B8%83%E3%80%81%E6%8E%A7%E5%88%B6%E7%A1%AC%E9%AB%94

七、控制硬體
驅動程式最主要的任務 - 控制硬體。

7-1、控制硬體
驅動程式的工作,就是幫助 kernel 控制硬體,kernel 將不認識的硬體交給驅動程式控制,而驅動程式再與 kernel 溝通後,即可讓 kernel 認識硬體,如此, user process 即可透過系統呼叫介面來操作硬體。

各種硬體都有獨特的控制方式,但大多數硬體都可透過驅動程式讀寫「暫存器」來操控。
暫存器是硬體(裝置)內部的記憶空間,但屬於斷電後內容就會消失的揮發性記憶體。

驅動程式這類軟體去讀寫裝置的暫存器,也就是 CPU 去讀寫裝置,因為軟體是在 CPU 上面運行的。
具體的讀寫方式隨著裝置而有不同,一般來說可歸為「I/O mapped I/O」與「Memory mapped I/O」這兩類。

7-2、I/O Mapped I/O
「I/O mapped I/O」指的是經由通訊埠讀寫,只是為了與「Memory mapped I/O」對應,才如此描述。
很久以前的裝置,多半都各自擁有 I/O port(通訊埠),這是用來將資料寫給硬體、或是從硬體讀出資料的介面,代表只有硬體擁有 I/O port,就可以由驅動程式透過 I/O port 進行控制。

為了通作 I/O port,系統準備了「I/O space」這個特別的空間,它與 memory space(記憶體空間) 是各自獨立的,I/O space 裡面的位址稱為「I/O port space」或直稱「port」。
各個裝置都擁有自己的 I/O port address 範圍,硬體設計者必須確保系統內的硬體不會重複用到同一段位址。
Linux 的 I/O port address 分配狀況可透過「cat /proc/ioports」指令來查閱。

I/O port address 的讀寫方式有下面幾種:

  • 以 1 byte、2 bytes 或 4 bytes 為單位執行讀寫

因此大量資料不適合經由 I/O port 傳送,另外硬體如果要提供 I/O port 的話,會佔用寶貴的電路板空間,所以最近的硬體多半完全不透過 I/O port 來通訊。

為了讓驅動程式之類的軟體可以操作 I/O port,CPU 提供了 I/O port 專用的 mnemonic(方便記憶的組合語言指令寫法),而 linux kernel 為了讓驅動程式不必動用組合語言指令,所以提供了 C 語言可以取用的函式,這些函式定義在「asm/io.h」檔案內。

函式名稱 功能
inb() 從 port 讀出 1 byte
inw() 從 port 讀出 2 byte
inl() 從 port 讀出 4 byte
outb() 從 port 寫入 1 byte
outw() 從 port 寫入 2 byte
outl() 從 port 寫入 4 byte

在讀寫 I/O port 的時候需要注意的是,近來 CPU 的性能愈來愈高,因此裝置有可能跟不上 CPU 的處理速度,因此 Linux 準備了會等待的函式,末尾的 「p」 就代表「pause」的意思:
u8 inb_p(unsigned long port);
u16 inw_p(unsigned long port);
u32 inl_p(unsigned long port);
void outb_p(u8 b, unsigned long port);
void outw_p(u16 w, unsigned long port);
void outl_p(u32 l, unsigned long port);

如果 kernel 與好幾個驅動程式同時使用同一段 I/O port 的話,硬體運作可能會出問題,因此,要讀寫 I/O port 的 module 要先用 request_region() 把一塊位址空間保留下來,若保留成功,就會在 /proc/ioports 顯示驅動程式的名稱:
struct resource *request_region(resource_size_t start, resource_size_t n, const char *name);
I/O port 的開始位址透過 start 引數傳入,想讀寫的 port 個數則透過 n 引數傳入,name 是在 /proc/ioports 顯示的名字,不過 name 引數的指標會被 kernel 留著使用,所以不能傳入區域變數的指標。

另外,保留 memory mapped I/O (MMIO) 位址空間的函式叫做 request_mem_region()。

在不需要用到 I/O port 之後,一定要呼叫 release_region() 釋放先前保留的空間,否則在卸載驅動程式後,直到重開機之後,都無法再使用這塊 I/O port:
void release_region(resource_size_t start, resource_size_t n);

7-3、Memory Mapped I/O
以記憶體讀寫動作代替 I/O port 在硬體層級操縱裝置的手法就稱為「Memory Mapped I/O」(記憶體映射讀寫),經常縮寫為「MMIO」。

驅動程式只要向預先定義的位址範圍 (MMIO範圍) 進行讀寫動作,就會變成對特定硬體讀寫暫存器的動作。
也因為只要以 C 語言的指標就能簡單辦到,所以成為近代的標準作法。

一般常見的 IA-32 個人電腦架構中,是把緊鄰 4GB 以下的 1GB 範圍當成 MMIO 範圍。

讀寫 MMIO 範圍時,只要用指標就可以了,但是不能直接把記憶體位址的數值當成指標來用,否則可能會造成「kernel panic」。
因為驅動程式是在虛擬記憶體空間運作的緣故,這跟 user space 的應用程式讀寫不正確的記憶體位址而導致「segmentation fault」是一樣的。

驅動程式想讀寫 MMIO 範圍時,必須透過 ioremap() 把物理位址映射到 kernel 的虛擬記憶體空間才行,定義在 「asm/io.h」:
void __iomem * ioremap(unsigned long offset, unsigned long size);
offset 引數是物理記憶體位址,size 引數是以 byte 單位指定的映射範圍大小,Linux kernel 也把物理記憶體位址稱為「bus address」。
函式執行成功的話會傳回 kernel 的虛擬記憶體位址,否則傳回 NULL。

透過 ioremap() 映射的動作,在某些架構上可能會導致問題,這是因為被 cache 影響的緣故。
驅動程式在讀寫位於 MMIO 範圍內的暫存器時,有時會從 cache 讀回先前的資料,而不會真得去讀硬體,寫入資料時也會發生類似的情形,因此擾亂 memory mapped I/O 的工作。
這時就要把用到 ioremap() 的地方改用 ioremap_nocache():
void __iomem * ioremap_nocache(unsigned long phys_addr, unsigned long size);

在不需要 memory mapped I/O 時,驅動程式必須呼叫 iounmap() 明確取消映射:
void iounmap(volatile void __iomem *addr);

驅動程式範例:
#include
#include
#include
#include

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

static int sample_init(void) {
char *reg;
printk(KERN_ALERT "sample driver installed.\n");

reg = ioremap_nocache(0xFEC00000, 4);
if (reg != NULL) {
printk(KERN_ALERT "%x\n", *reg);
iounmap(reg);
}
return 0;
}

static void sample_exit(void) {
printk(KERN_ALERT "sample driver removed.\n");
}

module_init(sample_init);
module_exit(sample_exit);

讀寫 MMIO 範圍是可以直接 ioremap(),但為了避免衝突,還是建議事先利用 request_mem_region() 保留位址範圍:
struct resource *request_mem_region(resource_size_t start, resource_size_t n, const char *name);
start 引數是 MMIO 範圍開頭的物理記憶體位址,n引數則是 byte 單位的範圍大小,name 是引數裝置名稱,函式呼叫成功後,會回傳 resource 結構的指標,否則傳回 NULL。
保留成功後,就能在 /proc/iomem 看到裝置名稱。
在不需要讀寫 MMIO 範圍後,呼叫 iounmap() 解除映射後,還需要呼叫 release_mem_region 取消保留:
void release_mem_region(resource_size_t start, resource_size_t n);
start 引數跟 request_mem_region() 同樣是 MMIO 範圍開頭的物理記憶體位址,n引數則是 byte 單位的大小。

7-4、PCI 裝置的泛用介面
讀寫 PCI 裝置的暫存器時,可以透過 I/O port 也可以透過 MIMO,每個裝置都可能使用不同的讀寫方式,控制這些裝置的驅動程式必須根據裝置來切換讀寫方式。
如此會讓驅動程式的工作變得更複雜,所以 Linux 提供了不必區分 I/O port 與 MMIO 的抽象介面 pci_iomap(),定義在「asm/iomap.h」:
void __iomem *pci_iomap(struct pci_dev *dev, int bar, unsigned long maxlen);
呼叫後會自動切換 I/O port 或 MMIO 讀寫方式,並傳回指定 BAR(Base Address Register) 的 kernel 虛擬位址。
需要透田 I/O port 讀寫時,內部會用 ioport_map() 進行映射,使它能跟 MMIO 透過同樣的方式讀寫。

不需要讀寫後,要呼叫 pci_iounmap() 解除映射:
void pci_iounmap(struct pci_dev *dev, void __iomem *addr);

而透過 pci_iomap() 映射的位址讀寫暫存器時,必須使用專用的函式,一樣是定義在「asm/io.h」:
unsigned int ioread8(void __iomem *addr);
unsigned int ioread16(void __iomem *addr);
unsigned int ioread32(void __iomem *addr);
unsigned int iowrite8(u8 b, void __iomem *addr);
unsigned int iowrite16(u16 b, void __iomem *addr);
unsigned int iowrite32(u32 b, void __iomem *addr);
這些函式會判斷對象是 I/O port 還是 MMIO,並配合做適當的處理。

7-5、以 sparse 做靜態程式碼檢查
前面介紹的函式 prototype 多半都有「__iomem」的標記,查看標頭檔定義:
#ifdef __CHECKER__
# define __iomem __attribute__((noderef, address_space(2)))
#else
# define __iomem
#endif

平常編譯驅動程式時,沒有定義 __CHECKER__,因此 __iomem 這個巨集的內容是空的,這個巨集要在透過 sparse 這個靜態程式碼檢查工具檢查程式碼時才會起作用。
__iomem 巨集會透過 gcc 擴充功能指定下列屬性:

  • 不能透過 *(解參考運算子)存取指標(noderef)
  • 位於 I/O 位址空間 (I/O mapped I/O 或 memory mapped I/O; address_space(2))

address_space() 括弧內的數字意義:

數值 意義
0 Kernel space
1 User space
2 I/O space

sparse 安裝完成後,就可以建構驅動程式,以往都是在命令列執行「make」,現在要多指定「C=1」或「C=2」,「C=1」會檢查需要重新編譯的檔案,「C=2」則會檢查所有的檔案。

在執行 「make C=2」編譯 7-3 的範例程式後,會出現些許 warning,需修改程式碼如下:
char *reg; => char __iomem *reg;
printk(KERN_ALERT "%x\n", *reg); => printk(KERN_ALERT "%x\n", ioread8(reg));

7-6、記憶體屏障
C語言的程式被編譯器轉成組合語言,最後轉成機械語言才能在 CPU 上執行,而編譯器為了提昇程式執行的效率,有時會交換指令的執行順序。

但進這種調換法對驅動程式來說卻很有問題,在使用 MMIO 讀寫暫存器時,可能會造成意外的行為,如同之前提過,MMIO 是透過指標去存取裝置的暫存器,但編譯器只看指標存取動作而已。

比如說在準備執行 DMA (Direct Memory Access) 時,驅動程式常會用到下面這種寫法:
*a = ptr; /* 把 buffer 的位址寫入暫存器 */
*b = len; /* 把 buffer 容量寫入暫存器 */
*c = 1; /* 開始 DMA */
先把 buffer 準備好後,再透過暫存器啟動 DMA,一定要到最後才能寫入「*c」,但如果經過編譯器的調換:
*b = len; /* 把 buffer 容量寫入暫存器 */
*c = 1; /* 開始 DMA */
*a = ptr; /* 把 buffer 的位址寫入暫存器 */
則會造成在 buffer 還沒準備好的情形下開始 DMA,有可能讓系統當掉。

為了應用這種情形, kernel 提供了「 Memory Barrier」(記憶體屏障) 的機制。

barrier()
barrier() 巨集會插入 memory barrier,gcc 不會把指令移過 memory barrier。

wmb()
wmb (Write Memory Barrier) 是使記憶體寫入順序維持與 C 原始碼一致的巨集。

rmb()
rmb (Read Memory Barrier) 能保証在這行之前的「記憶體讀取工作」已經全部執行完成。

mb()
mb (Memory Barrier) 這個巨集同時具備 wmb() 與 rmb() 的功能。

7-7、volatile
C語言的資料型態有「volatile(揮發性)」這麼一個修飾詞,為變數加上 volatile 修飾詞,可以:

  • 防止記憶體存取動作的最佳化
  • 防止刪除記憶體存取動作

具體例子:
#include

int main(void) {
int val, n;
int *p;

val = 2008;
p = &val;
n = *p;

printf("%d\n", val);
return 0;
}

這個例子把 *p 指標向向的值存到 n 之內,但是卻沒用到 n 變數,因些編譯器可能會把存入 n 的動作刪除,但如果 *p 指標是 MMIO 位址的話,或許這代表「從裝置讀取暫存器內容」的動作,於是少掉這個動作的話,硬體可能就不會一如預想地運作,所以要在 MMIO 的指檔變數要加上 「volatile」才行:
volatile int *p

另一個例子:
#include

int main(void) {
int val, n;
int *p;

val = 2008;
p = &val;
n = *p;
n = *p;
n = *p;

printf("%d\n", val);
return 0;
}
這個例子連續三次寫入 n 變數,編譯器最佳化時,可能把這些寫入動作整合成一個,但如果 *p 是 MMIO 位址的話,就可能造成問題,因此 *p 指標變數應該要加上 volatile 才對。

編譯器有沒有產生適切的組合語言碼,可以透過「gcc -S」來檢視組合語言碼(*.s)來判斷。

7-8、行內組譯
有時光靠 C 語言無法控制硬體,還是需要讓組合語言上場,本節就在說明 C 語言原始碼內撰寫組合語言的方式。

asm 關鍵字
在 C 語言的原始碼內插入組合語言原始碼的動作稱為「Inline assembler(行內組譯)」,而行內組譯的關鍵字是「asm」。
asm 關鍵字的語言如下:
asm("組合語言指令碼"
: 輸出暫存器
: 輸入暫存器
: 會變更的暫存器

檢查組合語言碼
要檢查產生的組合語言碼正確與否的話,可修改驅動程式的 Makefile ,在 CFLAGS 選項加上「-S」。

稍微複雜的 asm 關鍵字

7-9、結語
控制硬體是驅動程式的主要工作,基本上透過指標讀寫硬體的暫存器就行了,但是編譯器在最佳化時有一些陷阱,開發時必須特別注意這些情形。

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