嵌入式（驱动开发）（内核内存管理）

news2025/7/19 6:32:41

一、内核内存管理框架

内核将物理内存等分成N块4KB，称之为一页，每页都用一个struct page来表示，采用伙伴关系算法维护
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-VQMN7OwB-1668757602065)(.\内存管理1.jpg)]
内核地址空间划分图：
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-FVpABBct-1668757602066)(.\虚拟内核空间划分图.png)]
3G~3G+896M：低端内存，直接映射 虚拟地址 = 3G + 物理地址

​ 细分为：ZONE_DMA、ZONE_NORMAL

​ 分配方式：

					1. kmalloc:小内存分配，slab算法
					2. get_free_page：整页分配，2的n次方页，n最大为10

大于3G+896M：高端内存

​ 细分为：vmalloc区、持久映射区、固定映射区

​ 分配方式：vmalloc：虚拟地址连续，物理地址不连续

​

二、内核中常用动态分配

2.1 kmalloc（效率高，申请空间小）

​ 函数原型：

void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags);

kmalloc() 申请的内存位于直接映射区域，而且在物理上也是连续的，它们与真实的物理地址只有一个固定的偏移，因为存在较简单的转换关系，所以对申请的内存大小有限制，不能超过128KB。
　　
较常用的 flags（分配内存的方法）：

  • GFP_ATOMIC —— 分配内存的过程是一个原子过程，分配内存的过程不会被（高优先级进程或中断）打断。一般异常上下文用这个，因为他申请内存时不会被打断，申请失败直接返回；
  • GFP_KERNEL —— 正常分配内存。一般任务上下文用这个，因为申请内存时如果没有可以忙等待；
  • GFP_DMA —— 给 DMA 控制器分配内存，需要使用该标志（DMA要求分配虚拟地址和物理地址连续）。

flags 的参考用法：
　|– 进程上下文，可以睡眠　　　　　 GFP_KERNEL
　|– 异常上下文，不可以睡眠　　　　 GFP_ATOMIC
　|　　|– 中断处理程序　　　　　　　GFP_ATOMIC
　|　　|– 软中断　　　　　　　　　　GFP_ATOMIC
　|　　|– Tasklet　 　　 　　　　　　 GFP_ATOMIC
　|– 用于DMA的内存，可以睡眠　　　GFP_DMA | GFP_KERNEL
　|– 用于DMA的内存，不可以睡眠　　GFP_DMA |GFP_ATOMIC
　　
对应的内存释放函数为：

void kfree(const void *objp);

void *kzalloc(size_t size, gfp_t flags)

2.2 vmalloc（效率低，申请空间大）

void *vmalloc(unsigned long size);

vmalloc() 函数则会在虚拟内存空间给出一块连续的内存区，但这片连续的虚拟内存在物理内存中并不一定连续。由于 vmalloc() 没有保证申请到的是连续的物理内存，因此对申请的内存大小没有限制，如果需要申请较大的内存空间就需要用此函数了。

对应的内存释放函数为：

void vfree(const void *addr);

注意：vmalloc() 和 vfree() 可以睡眠，因此不能从异常上下文调用。

2.3 kmalloc & vmalloc 的比较

kmalloc()、kzalloc()、vmalloc() 的共同特点是：

  1. 用于申请内核空间的内存；
  2. 内存以字节为单位进行分配；
  3. 所分配的内存虚拟地址上连续；

kmalloc()、kzalloc()、vmalloc() 的区别是：

  1. kzalloc 是强制清零的 kmalloc 操作；（以下描述不区分 kmalloc 和 kzalloc）
  2. kmalloc 分配的内存大小有限制（128KB），而 vmalloc 没有限制；
  3. kmalloc 可以保证分配的内存物理地址是连续的，但是 vmalloc 不能保证；
  4. kmalloc 分配内存的过程可以是原子过程（使用 GFP_ATOMIC），而 vmalloc 分配内存时则可能产生阻塞；
  5. kmalloc 分配内存的开销小，因此 kmalloc 比 vmalloc 要快；

一般情况下，内存只有在要被 DMA 访问的时候才需要物理上连续，但为了性能上的考虑，内核中一般使用 kmalloc()，而只有在需要获得大块内存时才使用 vmalloc()。

2.4 分配选择原则：

  1. 小内存（< 128k）用kmalloc,大内存用vmalloc或get_free_page
  2. 如果需要比较大的内存，并且要求使用效率较高时用get_free_page,否则用vmalloc

init函数
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

三、IO访问-------访问外设控制器的寄存器

[外链接上传(img-E593pmV8-1668757602068)(.\SOC架构图.jpg)]
两种方式：

  1. IO端口：X86上用IO指令访问
  2. IO内存：外设寄存器在SOC芯片手册上都有相应物理地址

IO内存访问接口：

static inline void __iomem *ioremap(unsigned long offset, unsigned long size)
/*
功能：实现IO管脚的映射
参数：offset:该管脚的偏移地址
	 Size:该管脚映射空间的大小
返回值：成功返回映射的虚拟地址,失败NULL
*/

static inline void iounmap(volatile void __iomem *addr)
/*
功能：解除io管脚的映射
参数：addr:io管脚映射的地址
*/

unsigned readb(void *addr);//1字节   或ioread8(void *addr)
unsigned readw(void *addr);//2字节   或ioread16(void *addr)
unsigned readl(void *addr);//4字节   或ioread32(void *addr)
/*
功能：读取寄存器的值
参数：addr  地址
返回值：读到的数据
*/

void writeb(unsigned value, void *addr);//1字节   或iowrite8(u8 value, void *addr)
void writew(unsigned value, void *addr);//2字节  或iowrite16(u16 value, void *addr)
void writel(unsigned value, void *addr);//4字节  或iowrite32(u32 value, void *addr)
/*
 功能：向指定的寄存器中，写入数据。
 参数：value：待写入寄存器中的数据
	  Address：寄存器的虚拟地址
*/

四、led驱动

  1. 读原理图
    [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-G6oBzs6v-1668757602069)(.\led原理图.jpg)]
  2. 查阅SOC芯片手册
    [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Qpgv0nDR-1668757602070)(.\GPX2_7寄存器.jpg)]
GPX2_7 led2    GPX2CON----0x11000C40---28~31-----0001 	GPX2DAT-----0x11000C44-----7

GPX1_0 led3    GPX1CON----0x11000C20---0~3-----0001     	GPX1DAT----0x11000C24-----0

GPF3_4 led4    GPF3CON----0x114001E0---16~19-----0001  	GPF3DAT----0x114001E4-----4

GPF3_5 led5    GPF3CON----0x114001E0---20~23-----0001  	GPF3DAT----0x114001E4-----5

  1. 编写驱动

    a. 设计设备数据类型

    str uct myled_dev
{
		struct cdev mydev;

    unsigned long * led2con;
    unsigned long * led2dat;

    unsigned long * led3con;
    unsigned long * led3dat;

    unsigned long * led4con;
    unsigned long * led4dat;

    unsigned long * led5con;
    unsigned long * led5dat;
};

    b. 考虑需要支持的函数

    c. 模块入口：ioremap + 设置成输出

    d. 模块出口：iounmap

    e. 编写关灯函数和开灯函数，实现ioctl

led内核驱动代码

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/wait.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/poll.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/atomic.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/io.h>
#include "leddrv.h"   //自己写的.h用“”引用，库用<>引用

#define GPX1CON 0X11000C20 		//寄存器地址
#define GPX1DAT 0X11000C24

#define GPX2CON 0X11000C40
#define GPX2DAT 0X11000C44

#define GPX3CON 0X114001E0
#define GPX3DAT 0X114001E4

int major = 11;			//主设备号
int minor = 0;			//次设备号
int myled_num = 1;		//设备数量

struct myled_dev		//led设备结构体
{
	struct cdev mydev;	//设备结构体
	
	volatile unsigned long *pled2_con;   //volatile：防止编译器优化
	volatile unsigned long *pled2_dat;		

  	volatile unsigned long *pled3_con;	 //con寄存器地址
	volatile unsigned long *pled3_dat;	 //dat寄存器地址	

    volatile unsigned long *pled4_con;
	volatile unsigned long *pled4_dat;

    volatile unsigned long *pled5_con;
	volatile unsigned long *pled5_dat;      
};

struct myled_dev *pgmydev = NULL;     //定义一个设备结构体变量，用于调用结构体成员

int myled_open(struct inode *pnode,struct file *pfile)	//打开文件函数
{																					//inode类型结构体中i_cdev是mydev的地址														
	pfile->private_data = (void *) (container_of(pnode->i_cdev,struct myled_dev,mydev));//知道成员地址可以得出结构体地址
    return 0;																		
}

int myled_close(struct inode *pnode,struct file *pfile)
{
	return 0;
}
//参数一：灯设备机构体。参数二：打开那个灯(2-5)
void led_on(struct myled_dev *pmydev,int ledno)			//灯打开函数
{
	switch(ledno)
	{
		case 2:			//读出pmydev->pled2_dat寄存器值或上1左移7位，然后在写入pmydev->pled2_dat寄存器实现点灯
       			writel(readl(pmydev->pled2_dat) | (0x1 << 7),pmydev->pled2_dat);
			break;
		case 3:
        		writel(readl(pmydev->pled3_dat) | (0x1),pmydev->pled3_dat);
			break;
		case 4:
 		        writel(readl(pmydev->pled4_dat) | (0x1 << 4),pmydev->pled4_dat);
			break;
		case 5:
		        writel(readl(pmydev->pled5_dat) | (0x1 << 5),pmydev->pled5_dat);
			break;
	}
}

void led_off(struct myled_dev *pmydev,int ledno)		//灯关闭函数
{
	switch(ledno)
	{
		case 2:
       			writel((readl(pmydev->pled2_dat) & (~(0x1 << 7))),pmydev->pled2_dat);
			break;
		case 3:
        		writel((readl(pmydev->pled3_dat) & (~(0x1))),pmydev->pled3_dat);
			break;
		case 4:
 		        writel((readl(pmydev->pled4_dat) & (~(0x1 << 4))),pmydev->pled4_dat);
			break;
		case 5:
		        writel((readl(pmydev->pled5_dat) & (~(0x1 << 5))),pmydev->pled5_dat);
			break;
	}
}
//参数一：文件描述符用于寻找设备结构体地址 参数二：app对驱动进行控制的参数 参数三：整型变量app传参操作驱动里面的函数
long myled_ioctl(struct file *pfile,unsigned int cmd,unsigned long arg)     //控制函数
{
	struct myled_dev *pmydev = (struct myled_dev *)pfile->private_data;		
	
	if(arg < 2 || arg > 5)		//要点亮几号灯范围2-5
	{
		return -1;
	}
	switch (cmd)					//进行开灯或者关灯
	{
		case MY_LED_ON:
			led_on(pmydev,arg);
			break;
		case MY_LED_OFF:
			led_off(pmydev,arg);
			break;	
		default:
			return -1;
	}

	return 0;
}
struct file_operations myops = {					//设备的操作函数，自己写的子函数必须在这儿与内核函数关联起来才能被调用
        .owner = THIS_MODULE,
        .open = myled_open,
        .release = myled_close,
		.unlocked_ioctl = myled_ioctl,
};
void ioremap_ledreg(struct myled_dev *pmydev)			//将设备结构体成员变量进行对设备硬件地址的映射
{
        pmydev->pled2_con = ioremap(GPX2CON,4);			//ioreamp参数一：十六进制地址的值  参数二：地址所占字节
        pmydev->pled2_dat = ioremap(GPX2DAT,4);

        pmydev->pled3_con = ioremap(GPX2CON,4);
        pmydev->pled3_dat = ioremap(GPX2DAT,4);

        pmydev->pled4_con = ioremap(GPX3CON,4);
        pmydev->pled4_dat = ioremap(GPX3DAT,4);      

        pmydev->pled5_con = pmydev->pled4_con;
        pmydev->pled5_dat = pmydev->pled4_dat;            
}

void set_output_ledconreg(struct myled_dev *pmydev)			//io口初始化函数
{
        writel((readl(pmydev->pled2_con) & (~(0xF << 28))) | (0X1 << 28),pmydev->pled2_con);
        writel((readl(pmydev->pled3_con) & (~(0xF))) | (0X1),pmydev->pled3_con);
        writel((readl(pmydev->pled4_con) & (~(0xF << 16))) | (0X1 << 16),pmydev->pled4_con);
        writel((readl(pmydev->pled5_con) & (~(0xF << 20))) | (0X1 << 20),pmydev->pled5_con);

        writel((readl(pmydev->pled2_dat) & (~(0x1 << 7))),pmydev->pled2_dat);
        writel((readl(pmydev->pled3_dat) & (~(0x1))),pmydev->pled3_dat);
        writel((readl(pmydev->pled4_dat) & (~(0x1 << 4))),pmydev->pled4_dat);
        writel((readl(pmydev->pled5_dat) & (~(0x1 << 5))),pmydev->pled5_dat);


}

void iounmap_ledreg(struct myled_dev *pmydev)			//io口清除函数
{
        iounmap(pmydev->pled2_con);
        pmydev->pled2_con = NULL;
        iounmap(pmydev->pled2_dat);
        pmydev->pled2_dat = NULL;       

        iounmap(pmydev->pled3_con);
        pmydev->pled3_con = NULL;
        iounmap(pmydev->pled3_dat);
        pmydev->pled3_dat = NULL;      

        iounmap(pmydev->pled4_con);
        pmydev->pled4_con = NULL;
        iounmap(pmydev->pled4_dat);
        pmydev->pled4_dat = NULL;     

        pmydev->pled5_con = NULL;
        pmydev->pled5_dat = NULL;      
}


int __init myled_init(void)				
{
        int ret = 0;
        dev_t devno = MKDEV(major,minor);				//将主次设备号合成一个32位的设备号

        /*申请设备号*/
        ret = register_chrdev_region(devno,myled_num,"myled");	
        if(ret)
        {
                ret = alloc_chrdev_region(&devno,minor,myled_num,"myled");		//手动申请失败时自动申请
                if(ret)
                {
                        printk("get devno failed\n");
                        return -1;
                }
                major = MAJOR(devno);
        }

		pgmydev = (struct myled_dev *)kmalloc(sizeof(struct myled_dev),GFP_KERNEL);//给设备结构体申请一块内存，kmalloc是申请小内存效率高。GFP_KERNEL是可以进行忙等待，因为这个是任务上下文
		if(NULL == pgmydev)			//申请失败
		{
			unregister_chrdev_region(devno,myled_num);	//取消注册设备号
			printk("kmalloc failed\n");
			return -1;
		}

		memset(pgmydev,0,sizeof(struct myled_dev));		//给结构体变量赋初值
	
	    /*给struct cdev对象指定操作函数集*/
	    cdev_init(&pgmydev->mydev,&myops);				
	
	    /*将struct cdev对象添加到内核对应的数据结构里*/
	    pgmydev->mydev.owner = THIS_MODULE;
        cdev_add(&pgmydev->mydev,devno,myled_num);
        
        /*ioremap*/
        ioremap_ledreg(pgmydev);
        /**/
        set_output_ledconreg(pgmydev);
        return 0;
}

void __exit myled_exit(void)
{
        dev_t devno = MKDEV(major,minor);

        /*iounmap*/

        iounmap_ledreg(pgmydev);
        
        cdev_del(&pgmydev->mydev);

        unregister_chrdev_region(devno,myled_num);

        kfree(pgmydev);
        pgmydev = NULL;
}

MODULE_LICENSE("GPL");

module_init(myled_init);
module_exit(myled_exit);

leddrv.h

#ifndef LED_DRIVER_H
#define LED_DRIVER_H

#define LED_DEV_MAGIC 'g'

#define MY_LED_OFF _IO(LED_DEV_MAGIC,0)
#define MY_LED_ON  _IO(LED_DEV_MAGIC,1)


#endif

app

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include "leddrv.h"
#include <sys/stat.h>
#include <sys/ioctl.h>

int main(int argc,char *argv[])
{
	int fd = -1;
	int onoff = 0;
	int no = 0;
	
	if(argc < 4)
	{
		printf("The argument is too few\n");
		return -1;
	}
	sscanf(argv[2],"%d",&onoff);
	sscanf(argv[3],"%d",&no);

	if(no < 2 || no > 5)
	{
		printf("len-on is invalid\n");
		return 2;
	}
	fd = open(argv[1],O_RDONLY);
	if(fd < 0)
	{
		printf("open %s failed\n",argv[1]);
		return 3;
	}
	
	if(onoff)
	{
		ioctl(fd,MY_LED_ON,no);
	}
	else
	{
		ioctl(fd,MY_LED_OFF,no);
	}

	close(fd);
	fd = -1;
	return 0;
}

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（四）QCustomPlot柱形图动态显示实例开发

系列文章目录 提示&#xff1a;这里是该系列文章的所有文章的目录 第一章&#xff1a; &#xff08;一&#xff09;QCustomPlot常见属性设置、多曲线绘制、动态曲线绘制、生成游标、矩形放大等功能实现 第二章&#xff1a; &#xff08;二&#xff09;QCustomPlot生成热力图/矩…
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【数据结构与算法】递归全流程详细剖析 | 详解图的深度优先遍历

【数据结构与算法】递归全流程详细剖析 | 详解图的深度优先遍历

&#x1f680; 作者 &#xff1a;“大数据小禅” &#x1f680;文章简介&#xff1a;本篇文章属于数据结构与算法系列文章&#xff0c;这篇文章会对算法中的递归进行一个详细的介绍&#xff0c;不仅是概念&#xff0c;而是从运行过程中的每一步进行详细分析。并使用递归的方式来…
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Vue3 - 使用 mitt.js 进行组件通信（兄弟关系）

Vue3 - 使用 mitt.js 进行组件通信（兄弟关系）

前言 在 Vue2 中&#xff0c;两个同级&#xff08;兄弟关系&#xff09;的组件传递数据&#xff0c;都是利用一个叫 EventBus 事件总线&#xff0c;利用这根总线&#xff0c;可以让两个毫无关系的组件进行通信。 其实这个问题的本质核心解决方案&#xff0c;就一句话。通过第三…
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开传奇需要什么技术要什么条件

开传奇需要什么技术要什么条件

开传奇需要什么技术要什么条件 对于这个问题&#xff0c;近期问的人比较多。这也是热爱传奇这个游戏的朋友会问到的一个问题&#xff0c;因为喜欢玩这个游戏&#xff0c;也想要自己去开一个经营一个 不管是电脑端还是手机端。但是对于一些新手确实不知道该如何开始操作从哪些方…
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基于PHP+MySQL的校园二手旧书回收捐赠系统

基于PHP+MySQL的校园二手旧书回收捐赠系统

校园内因为所教授的课程比较多,人数基数也比较大,所以每年都会产生大量的二手废旧图书,很多时候这些图书还可以进行二次利用,如果直接当废品进行回收很暴殄天物的,所以为了能够让这些校园内的二手图书得到更多的利用,我们开发了PHP校园二手旧书回收捐赠系统 本系统分为前台和后…
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