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);
* k! K' `) \( N" U1 z+ _" Z    [...]
}
2. ioremap() 实验

实验环境：

• Linux-4.14 + Allwinner/H3。
  & \& C+ y1 ~5 i* I

实验代码：

#include <linux/init.h>
1 I& T6 b5 q7 Z$ q3 \% g  H/ Y' k#include <linux/module.h>
#include <linux/sched.h>
" {! L, L: V5 I7 i7 G. G#include <asm/io.h>

#define USE_IOREMAP

4 G- T6 H3 P9 D& V" d#define H3_GPIO_BASE (0x01C20800)
" W, M+ d; E3 S7 ^+ h! x
static volatile unsigned long *gpio_regs = NULL;

static int __init ioremap_mod_init(void)
6 W& d% X& N; [% h{
% e/ ~2 i; @" R' X* {
    int i = 0;
    printk(KERN_INFO "ioremap_mod init\n");
5 j7 c2 I( D& m6 [/ e1 h' h* s6 [
#ifdef USE_IOREMAP
    gpio_regs = (volatile unsigned long *)ioremap(H3_GPIO_BASE, 1024);
#else
    gpio_regs = (volatile unsigned long *)H3_GPIO_BASE;
#endif

    for (i=0; i<3; i++)
        printk(KERN_INFO "reg[%d] = %lx\n", i, gpio_regs);

4 E2 I* r% s% s- Q6 G7 [* C    return 0;
7 L' s& Y* H+ G+ W: M9 V) d, Q9 x9 e}
module_init(ioremap_mod_init);
, z( R6 V! T$ x, a0 ^/ C1 ]
" h7 K; i/ s& T! v% j# Pstatic void __exit ioremap_mod_exit(void)
- ]6 g/ b: N) z; M3 E{
    printk(KERN_INFO "ioremap_mod exit\n ");
( n8 P. Z5 T  w- @5 H
) V9 `2 N+ m* Y2 r: ?#ifdef USE_IOREMAP
5 J7 g: r5 E6 W1 }+ n    iounmap(gpio_regs);
7 @! Z/ d; J- n1 |& ~) s#endif
6 y# ^% `$ z! D- K. g& E) [$ C6 x}
6 V; j1 c$ B, _- o
module_exit(ioremap_mod_exit);
! d  F  S7 [4 t) e0 G! p
/ |" h  c1 Q( q* l: _2 Q: r. hMODULE_AUTHOR("es-hacker");
MODULE_LICENSE("GPL v2");
* {3 D( C7 w4 I: o% k6 V- P5 ]

实验结果：

使用了 ioremap()

$ insmod ioremap
2 I0 y* w; C8 }3 B* Pioremap_mod init
& ~- n% x& L9 T! Qreg[0] = 71227722
reg[1] = 33322177
( Y* d8 [- m7 A& ~/ @3 w/ dreg[2] = 773373

未使用 ioremap():

$ insmod ioremap_mod.ko

Unable to handle kernel paging request at virtual address 01c20800
# [) y) o: B+ Q/ W6 V* Zpgd = 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
* X. i# L1 x# e5 I( e+ X. F+ zHardware name: sun8i
* k" t, n  o0 O" dtask: ef15d140 task.stack: edc50000
PC is at ioremap_mod_init+0x3c/0x1000 [ioremap_mod]
/ k# o5 {5 \( b# F8 RLR is at ioremap_mod_init+0x14/0x1000 [ioremap_mod]
pc : [<bf5d903c>]    lr : [<bf5d9014>]    psr: 600e0013
5 e" F2 T3 N2 Tsp : edc51df8  ip : 00000007  fp : 118fa95c
r10: 00000001  r9 : ee7056c0  r8 : bf5d6048
& A7 m) ?2 U0 g( ~% d9 Nr7 : bf5d6000  r6 : 00000000  r5 : bf5d6200  r4 : 00000000
* a. ~8 g# z  P' \8 A: Z/ _3 er3 : 01c20800  r2 : 01c20800  r1 : 00000000  r0 : bf5d5048
Flags: nZCv  IRQs on  FIQs on  Mode SVC_32  ISA ARM  Segment user
  P& W; {6 t- W% mControl: 30c5387d  Table: 49ece7c0  DAC: b106c794
4 Z& q" T3 u0 x) EProcess insmod (pid: 1253, stack limit = 0xedc50210)

: @& ^0 N$ F2 E+ F& Y[<bf5d903c>] (ioremap_mod_init [ioremap_mod]) from [<c0201a70>] (do_one_initcall+0x40/0x16c)
[<c0201a70>] (do_one_initcall) from [<c02b20c8>] (do_init_module+0x60/0x1f0)
. w" R2 K0 J% L9 s7 d5 P+ B4 G[<c02b20c8>] (do_init_module) from [<c02b1214>] (load_module+0x1b48/0x2250)
  `& s& |4 v1 T, b& A' m* P. a[<c02b1214>] (load_module) from [<c02b1ad8>] (SyS_finit_module+0x8c/0x9c)
8 V/ Z: o3 V4 p, N6 E5 V; ][<c02b1ad8>] (SyS_finit_module) from [<c0221f80>] (ret_fast_syscall+0x0/0x4c)
Code: e5953000 e3050048 e1a01004 e34b0f5d (e7932104)
: l9 T2 E- {" P- H6 B! I---[ end trace 928c64a33a054308 ]---
Segmentation fault
' N  c! s6 d- [7 @. o# R* F8 e3 n3. 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)。

  
  $ Y* r0 ?* ^0 }/ w. k/ c6 b0 v

函数调用流程：

点击查看大图

总结一下：

• 相关检查;

• 分配一个 vm_struct 结构体，内核在管理虚拟内存中的 vmalloc 区时,内核必须跟踪哪些子区域被使用、哪些是空闲的，对应的数据结构就是 vm_strcut。

• 初始化 vm_struct;

• 建立页表;

  
  6 g) B. c" o" H2 D

' H. d8 Z  Z. `9 A. `+ e6 h