MIPS，PowerPC和ARM访问I/O方式的比较

1.概述

简单比较了一下MIPS，PowerPC和ARM（这里只考虑32位版本的，MIPS64和PowerPC64不在此范围内）访问I/O的方式。首先这三种体系结构都使用存储器映射的I/O，都是32位物理地址空间（排除一些特殊的处理器，比如PowerPC E500 v2支持36位物理地址）。下面分别说明一下具体的访问方式：

2.比较

MIPS：

由于MIPS的地址空间映射机制比较特殊，kernel在访问kseg0和kseg1段时，根本不需要经过MMU，虚拟地址直接减去一个偏移就是物理地址（虽说PowerPC和ARM看起来也是虚拟地址减一个偏移，但是实际上都是经过TLB的）。MIPS处理器一般把外设映射到虚拟地址0xA0000000-0xBFFFFFFF之间的512MB地址空间中，而且不通过Cache。所以只要知道外设的物理地址，则只需在代码中直接加上0xA0000000就是外设的虚拟地址，这样访问起来速度比较快。但是，缺点是灵活性比较差，主内存和外设都只能映射在512MB的地址空间中，限制比较多。

PowerPC（E500）：

对于E500来说，不管访问什么地址都是要通过MMU的。kernel启动的时候，已经把kernel的虚拟地址空间的kmalloc区域在TLB1中建立了直接映射。而访问I/O则需要通过ioremap()函数，在页表中建立虚拟地址和物理地址的映射后才能正常访问。范围一般是ioremap_base（一般是0xFE000000）到ioremap_bot。这里需要注意的是，ioremap_bot是小于ioremap_base的。而这会影响vmalloc区域的使用，这段区域是从VMALLOC_START到ioremap_bot，也就是说PowerPC的vmalloc区域是随着ioremap_bot的变化而变化的。所以PowerPC访问外设要先建立页表（在TLB0中），比较麻烦，访问速度比较慢。访问结束后要使用iounmap()撤销映射。当然PowerPC也提供另外一种访问I/O的方式——io_block_mapping()。可以在TLB1中建立永久的块映射，最大可以到256MB，这样访问的时候就不需要调用ioremap()临时分配虚拟地址，并建立页表了。不过Linux PowerPC的maintainer并不推荐这种方式，原因是滥用io_block_mapping会破坏PowerPC内核虚拟地址空间的布局。

ARM：

ARM有点类似于PowerPC，访问任何地址都要通过MMU。但是ARM Linux的做法是为每一个平台定义一个静态数组standard_io_desc[]，其中定义了每一个外设的物理地址和对应的虚拟地址，这是由程序员自己根据需要分配的，一般来讲是分配在虚拟地址的高端部分，比如在0xF0000000以上，并且不与vmalloc区域重叠（对于ARM来说，vmalloc区域在kmalloc区域+8MB——I/O区域之间，不同的平台地址不太一样）。然后调用xxx_map_io()函数建立页表，一般会根据不同设备的地址范围的大小使用1MB或者4KB的页，这样就建立了外设的物理地址和内核虚拟地址的映射关系。然后，一般还会在头文件中定义外设的各个寄存器的虚拟地址，在操作外设时就直接读写这些宏所定义的虚拟地址就可以了，不需要调用ioremap动态的建立页表。这种方法类似于PowerPC的io_block_mapping()。所以ARM访问外设的速度要比PowerPC快一点，因为省去了动态建立页表的步骤。

总得来说，MIPS，PowerPC和ARM访问I/O的方式各有千秋，MIPS是速度较快，操作简单，但是灵活性较差；PowerPC是灵活性大但是速度较慢；ARM算是在二者之间取了一个平衡。

简单的说：

kmalloc和vmalloc是分配的是内核的内存,malloc分配的是用户的内存

kmalloc保证分配的内存在物理上是连续的,vmalloc保证的是在虚拟地址空间上的连续,malloc不保证任何东西(猜测的,不一定正确)

kmalloc能分配的大小有限,vmalloc和malloc能分配的大小相对较大

内存只有在要被DMA访问的时候才需要物理上连续

vmalloc比kmalloc要慢

kmalloc()是内核中最常见的内存分配方式，它最终调用伙伴系统的__get_free_pages()函数分配，根据传递给这个函数的flags参数，决定这个函数的分配适合什么场合，如果标志是GFP_KERNEL则仅仅可以用于进程上下文中，如果标志GFP_ATOMIC则可以用于中断上下文或者持有锁的代码段中。

kmalloc返回的线形地址是直接映射的，而且用连续物理页满足分配请求，且内置了最大请求数（2**5=32页）。

vmalloc优先使用高端物理内存，但性能上会打些折扣。

vmalloc分配的物理页不会被交换出去;
vmalloc返回的虚地址大于(PAGE_OFFSET + SIZEOF(phys memory) + GAP)，为VMALLOC_START----VMALLOC_END之间的线形地址;
vmalloc使用的是vmlist链表，与管理用户进程的vm_area_struct要区别,而后者会swapped；

kmap()是主要用在高端存储器页框的内核映射中，一般是这么使用的:
使用alloc_pages()在高端存储器区得到struct page结构，然后调用kmap(struct *page)在内核地址空间PAGE_OFFSET+896M之后的地址空间中（PKMAP_BASE到FIXADDR_STAR）建立永久映射(如果page结构对应的是低端物理内存的页，该函数仅仅返回该页对应的虚拟地址)
kmap()也可能引起睡眠，所以不能用在中断和持有锁的代码中

不过kmap 只能对一个物理页进行分配，所以尽量少用。

对于高端物理内存(896M之后)，并没有和内核地址空间建立一一对应的关系(即虚拟地址=物理地址+PAGE_OFFSET这样的关系)，所以不能使用get_free_pages()这样的页分配器进行内存的分配，而必须使用alloc_pages()这样的伙伴系统算法的接口得到struct *page结构，然后将其映射到内核地址空间，注意这个时候映射后的地址并非和物理地址相差PAGE_OFFSET.

kmalloc和get_free_page申请的内存位于物理内存映射区域，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，因此存在较简单的转换关系。而vmalloc申请的内存则位于vmalloc_start～vmalloc_end之间，与物理地址没有简单的转换关系，虽然在逻辑上它们也是连续的，但是在物理上它们不要求连续。

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kmalloc/kfree,vmalloc/vfree函数用法和区别

1.kmalloc

1>kmalloc内存分配和malloc相似，除非被阻塞否则他执行的速度非常快，而且不对获得空间清零.

tiger说明：在用kmalloc申请函数后，要对起清零

用memset()函数对申请的内存进行清零。

2>kamlloc函数原型：

#include<Linux/slab.h>

Void *kmalloc(size_t size, int flags);

(1)第一个参数是要分配的块的大小

(2)第二个参数是分配标志（flags），他提供了多种kmalloc的行为。

(3)第三个最常用的GFP_KERNEL；

A.表示内存分配（最终总是调用get_free_pages来实现实际的分配；这就是GFP前缀的由来）是代表运行在内核空间的进程执行的。使用GFP_KERNEL容许kmalloc在分配空闲内存时候如果内存不足容许把当前进程睡眠以等待。因此这时分配函数必须是可重入的。如果在进程上下文之外如：中断处理程序、tasklet以及内核定时器中这种情况下current进程不该睡眠，驱动程序该使用GFP_ATOMIC.

B.GFP_ATOMIC

用来从中断处理和进程上下文之外的其他代码中分配内存. 从不睡眠.

C.GFP_KERNEL

内核内存的正常分配. 可能睡眠.

D.GFP_USER

用来为用户空间页来分配内存; 它可能睡眠.

E.GFP_HIGHUSER

如同 GFP_USER, 但是从高端内存分配, 如果有. 高端内存在下一个子节描述.

F.GFP_NOFS,GFP_NOIO

这个标志功能如同 GFP_KERNEL, 但是它们增加限制到内核能做的来满足请求. 一个 GFP_NOFS 分配不允许进行任何文件系统调用, 而 GFP_NOIO 根本不允许任何 I/O 初始化. 它们主要地用在文件系统和虚拟内存代码, 那里允许一个分配睡眠, 但是递归的文件系统调用会是一个坏注意.

上面列出的这些分配标志可以是下列标志的相或来作为参数, 这些标志改变这些分配如何进行:

__GFP_DMA

这个标志要求分配在能够 DMA 的内存区. 确切的含义是平台依赖的并且在下面章节来解释.

__GFP_HIGHMEM

这个标志指示分配的内存可以位于高端内存.

__GFP_COLD

正常地, 内存分配器尽力返回"缓冲热"的页 -- 可能在处理器缓冲中找到的页. 相反, 这个标志请求一个"冷"页, 它在一段时间没被使用. 它对分配页作 DMA 读是有用的, 此时在处理器缓冲中出现是无用的. 一个完整的对如何分配 DMA 缓存的讨论看"直接内存存取"一节在第 1 章.

__GFP_NOWARN

这个很少用到的标志阻止内核来发出警告(使用 printk ), 当一个分配无法满足.

__GFP_HIGH

这个标志标识了一个高优先级请求, 它被允许来消耗甚至被内核保留给紧急状况的最后的内存页.

? __GFP_REPEAT

__GFP_NOFAIL

__GFP_NORETRY

这些标志修改分配器如何动作, 当它有困难满足一个分配. __GFP_REPEAT 意思是" 更尽力些尝试" 通过重复尝试 -- 但是分配可能仍然失败. __GFP_NOFAIL 标志告诉分配器不要失败; 它尽最大努力来满足要求. 使用 __GFP_NOFAIL 是强烈不推荐的; 可能从不会有有效的理由在一个设备驱动中使用它. 最后, __GFP_NORETRY 告知分配器立即放弃如果得不到请求的内存.

? 内存区段

__GFP_DMA和__GFP_HIGHMEM的使用与平台相关，Linux把内存分成3个区段：可用于DMA的内存、常规内存、以及高端内存。X86平台上ISA设备DMA区段是内存的前16MB，而PCI设备无此限制。

内存区后面的机制在 mm/page_alloc.c 中实现, 而内存区的初始化在平台特定的文件中, 常常在 arch 目录树的 mm/init.c。

3>kamlloc的使用方法：

Linux 处理内存分配通过创建一套固定大小的内存对象池. 分配请求被这样来处理, 进入一个持有足够大的对象的池子并且将整个内存块递交给请求者. 驱动开发者应当记住的一件事情是, 内核只能分配某些预定义的, 固定大小的字节数组.

如果你请求一个任意数量内存, 你可能得到稍微多于你请求的, 至多是 2 倍数量. 同样, 程序员应当记住 kmalloc 能够处理的最小分配是 32 或者 64 字节, 依赖系统的体系所使用的页大小. kmalloc 能够分配的内存块的大小有一个上限. 这个限制随着体系和内核配置选项而变化. 如果你的代码是要完全可移植, 它不能指望可以分配任何大于 128 KB. 如果你需要多于几个 KB, 但是, 有个比 kmalloc 更好的方法来获得内存。在设备驱动程序或者内核模块中动态开辟内存，不是用malloc，而是kmalloc ,vmalloc，或者用get_free_pages直接申请页。释放内存用的是kfree,vfree，或free_pages. kmalloc函数返回的是虚拟地址(线性地址). kmalloc特殊之处在于它分配的内存是物理上连续的,这对于要进行DMA的设备十分重要. 而用vmalloc分配的内存只是线性地址连续,物理地址不一定连续,不能直接用于DMA.

　　注意kmalloc最大只能开辟128k-16，16个字节是被页描述符结构占用了。kmalloc用法参见khg.

　　内存映射的I/O口，寄存器或者是硬件设备的RAM(如显存)一般占用F0000000以上的地址空间。在驱动程序中不能直接访问，要通过kernel函数vremap获得重新映射以后的地址。

　　另外，很多硬件需要一块比较大的连续内存用作DMA传送。这块内存需要一直驻留在内存，不能被交换到文件中去。但是kmalloc最多只能开辟大小为32XPAGE_SIZE的内存,一般的PAGE_SIZE=4kB,也就是128kB的大小的内存。

3.kmalloc和vmalloc的区别

? vmalloc()与 kmalloc()都可用于分配内存

? kmalloc()分配的内存处于3GB~high_memory之间,这段内核空间与物理内存的映射一一对应

?vmalloc()分配的内存在 VMALLOC_START~4GB之间,这段非连续内存区映射到物理内存也可能是非连续的

? 在内核空间中调用kmalloc()分配连续物理空间,而调用vmalloc()分配非物理连续空间。

? 把kmalloc()所分配内核空间中的地址称为内核逻辑地址

? 把vmalloc()分配的内核空间中的地址称为内核虚拟地址

? vmalloc()在分配过程中须更新内核页表

总结：

1.kmalloc和vmalloc分配的是内核的内存,malloc分配的是用户的内存

2.kmalloc保证分配的内存在物理上是连续的, kmalloc()分配的内存在0xBFFFFFFF－0xFFFFFFFF以上的内存中，driver一般是用它来完成对DS的分配，更适合于类似设备驱动的程序来使用；

3.vmalloc保证的是在虚拟地址空间上的连续，vmalloc()则是位于物理地址非连续，虚地址连续区，起始位置由VMALLOL_START来决定，一般作为交换区、模块的分配。

3.kmalloc能分配的大小有限,vmalloc和malloc能分配的大小相对较大（因为vmalloc还可以处理交换空间）。

4.内存只有在要被DMA访问的时候才需要物理上连续，vmalloc比kmalloc要慢

5.vmalloc使用的正确场合是分配一大块，连续的，只在软件中存在的，用于缓冲的内存区域。不能在微处理器之外使用。

6.vmalloc 中调用了 kmalloc （GFP—KERNEL），因此也不能应用于原子上下文。

7.kmalloc和 kfree管理内核段内分配的内存，这是真实地址已知的实际物理内存块。

8.vmalloc对应于vfree，分配连续的虚拟内存，但是物理上不一定连续。

9.kmalloc分配内存是基于slab，因此slab的一些特性包括着色，对齐等都具备，性能较好。物理地址和逻辑地址都是连续的