ioremap执行过程

驱动程序映射bar物理地址到虚拟地址时，通常使用ioremap系列函数。接下来，分析相关实现方式。

early_ioremap_init

early_ioremap_init在start_kernel -> setup_arch函数中调用：

void __init early_ioremap_init(void)
{pmd_t *pmd;#ifdef CONFIG_X86_64BUILD_BUG_ON((fix_to_virt(0) + PAGE_SIZE) & ((1 << PMD_SHIFT) - 1)); // 检查低12位是否为0，为0继续执行| |\//*  #define __fix_to_virt(x)        (FIXADDR_TOP - ((x) << PAGE_SHIFT))  , FIXADDR_TOP ：从 vsyscall空间的基址取整产生的地址，属于固定映射区域的最高地址*/
#elseWARN_ON((fix_to_virt(0) + PAGE_SIZE) & ((1 << PMD_SHIFT) - 1));
#endifearly_ioremap_setup(); // 初期固定映射地址填充slot_virt 数组||\/void __init early_ioremap_setup(void){int i;for (i = 0; i < FIX_BTMAPS_SLOTS; i++)if (WARN_ON(prev_map[i])) // prev_map 数组用于记录初期 ioremap 区域的地址(临时启动时映射，实际上有512个，在ioremap可用之前使用)，这里还未使用，指向为0/* static void __iomem *prev_map[FIX_BTMAPS_SLOTS] __initdata; * //* #define __initdata  __section(.init.data); __initdata数据存储在.init.data段，这些内存在内核初始化结束后释放掉 *//* #define FIX_BTMAPS_SLOTS        8 */break;for (i = 0; i < FIX_BTMAPS_SLOTS; i++)slot_virt[i] = __fix_to_virt(FIX_BTMAP_BEGIN - NR_FIX_BTMAPS*i); // 固定映射区域的虚拟地址}

继续往下看：

pmd = early_ioremap_pmd(fix_to_virt(FIX_BTMAP_BEGIN));||
\/static inline pmd_t * __init early_ioremap_pmd(unsigned long addr)
{/* Don't assume we're using swapper_pg_dir at this point */pgd_t *base = __va(read_cr3_pa()); 从cr3寄存器读出基地址 /* __read_cr3() & CR3_ADDR_MASK *//* 屏蔽地址空间ID和SME加密位 */pgd_t *pgd = &base[pgd_index(addr)]; // pgd页目录(page global directory)/* pgd_index(addr) -> #define pgd_index(a)  (((a) >> PGDIR_SHIFT) & (PTRS_PER_PGD - 1)) *//* #define PGDIR_SHIFT     pgdir_shift *//* unsigned int pgdir_shift __ro_after_init = 39; *//* #define PTRS_PER_PGD    512 */p4d_t *p4d = p4d_offset(pgd, addr);  // 4级页目录||\/static inline p4d_t *p4d_offset(pgd_t *pgd, unsigned long address){if (!pgtable_l5_enabled()) // 如果.config中没有开启CONFIG_X86_5LEVELreturn (p4d_t *)pgd; return (p4d_t *)pgd_page_vaddr(*pgd) + p4d_index(address); // pgd + 4级页表偏移值(偏移值为0，目前的计算机内存4级表应该足够使用了)/* (pgd.pgd & PGD_ALLOWED_BITS) + (address >> P4D_SHIFT) & (PTRS_PER_P4D - 1) */}/* #define PGD_ALLOWED_BITS        (PGD_PAE_PHYS_MASK | _PAGE_PRESENT | \_PAGE_PWT | _PAGE_PCD | \_PAGE_SOFTW1 | _PAGE_SOFTW2 | _PAGE_SOFTW3) *//* #define PTRS_PER_P4D            ptrs_per_p4d *//* unsigned int ptrs_per_p4d __ro_after_init = 1; *//* define P4D_SHIFT               39 */pud_t *pud = pud_offset(p4d, addr); // pud页目录(page upper directory)||\/static inline pud_t *pud_offset(p4d_t *p4d, unsigned long address){return p4d_pgtable(*p4d) + pud_index(address); // 偏移范围小于等于511/* (pud_t *)__va(p4d_val(p4d) & p4d_pfn_mask(p4d)) +   pud_index(address) */}/* #define pud_index(x)    (((x) >> PUD_SHIFT) & (PTRS_PER_PUD-1)) *//* #define PUD_SHIFT       30 *//* #define PTRS_PER_PUD    512 */pmd_t *pmd = pmd_offset(pud, addr); // pmd页目录(page middle directory)||\/static inline pmd_t *pmd_offset(pud_t *pud, unsigned long address){return pud_pgtable(*pud) + pmd_index(address); /* (pmd_t *)__va(pud_val(pud) & pud_pfn_mask(pud)) +  pmd_index(address);}||\/static inline pudval_t pud_pfn_mask(pud_t pud){if (native_pud_val(pud) & _PAGE_PSE) // 4 MB or 2MB pagereturn PHYSICAL_PUD_PAGE_MASK; // 值为 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0011 1111 1111 1111 1111 111   (31位)  —  (51位)elsereturn PTE_PFN_MASK; // 值为 0000 0000 0000 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 111   (12位)  —  (51位)}/* #define PHYSICAL_PUD_PAGE_MASK  (((signed long)PUD_PAGE_MASK) & __PHYSICAL_MASK) *//* #define PUD_PAGE_MASK           (~(PUD_PAGE_SIZE-1)) *//* #define PUD_PAGE_SIZE           (_AC(1, UL) << PUD_SHIFT) *//* #define __PHYSICAL_MASK         physical_mask *//*  phys_addr_t physical_mask = (1ULL << __PHYSICAL_MASK_SHIFT) - 1; *//* #else#define __PHYSICAL_MASK         ((phys_addr_t)((1ULL << __PHYSICAL_MASK_SHIFT) - 1))#endif  *//* #define __PHYSICAL_MASK_SHIFT   52 *//* Extracts the PFN from a (pte|pmd|pud|pgd)val_t of a 4KB page *//* #define PTE_PFN_MASK            ((pteval_t)PHYSICAL_PAGE_MASK) *//* #define PHYSICAL_PAGE_MASK      (((signed long)PAGE_MASK) & __PHYSICAL_MASK) *//* #define PAGE_MASK               (~(PAGE_SIZE-1)) */return pmd;
}/*
#ifdef CONFIG_DYNAMIC_MEMORY_LAYOUT
unsigned long page_offset_base __ro_after_init = __PAGE_OFFSET_BASE_L4;
EXPORT_SYMBOL(page_offset_base);
unsigned long vmalloc_base __ro_after_init = __VMALLOC_BASE_L4;
EXPORT_SYMBOL(vmalloc_base);
unsigned long vmemmap_base __ro_after_init = __VMEMMAP_BASE_L4;
EXPORT_SYMBOL(vmemmap_base);
#endif#define __PAGE_OFFSET_BASE_L4   _AC(0xffff888000000000, UL)
#define __VMALLOC_BASE_L4       0xffffc90000000000UL
#define __VMEMMAP_BASE_L4       0xffffea0000000000UL*/

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memset(bm_pte, 0, sizeof(bm_pte)); // bm_pte占一页大小
/* static pte_t bm_pte[PAGE_SIZE/sizeof(pte_t)] __page_aligned_bss; */pmd_populate_kernel(&init_mm, pmd, bm_pte); // 为init_mm对象分配pte，并记录pmd
||
\/
static inline void pmd_populate_kernel(struct mm_struct *mm,pmd_t *pmd, pte_t *pte)
{paravirt_alloc_pte(mm, __pa(pte) >> PAGE_SHIFT);  // mmu分配pte -> mm/* PVOP_VCALL2(mmu.alloc_pte, mm, pfn) ; mmu.alloc_pte = pfn */ set_pmd(pmd, __pmd(__pa(pte) | _PAGE_TABLE)); // mmu设置pmd <- pmd/* PVOP_VCALL2(mmu.set_pmd, pmdp, native_pmd_val(pmd)); mmu.set_pmd = native_pmd_val(pmd) */
}/* #define __pa(x)         __phys_addr((unsigned long)(x)) */
/* x = y + ((x > y) ? phys_base : (__START_KERNEL_map - PAGE_OFFSET)); */
/* #define __START_KERNEL_map      _AC(0xffffffff80000000, UL) */  if (pmd != early_ioremap_pmd(fix_to_virt(FIX_BTMAP_END))) { // 如果pmd不属于固定映射区域WARN_ON(1);printk(KERN_WARNING "pmd %p != %p\n",pmd, early_ioremap_pmd(fix_to_virt(FIX_BTMAP_END)));printk(KERN_WARNING "fix_to_virt(FIX_BTMAP_BEGIN): %08lx\n",fix_to_virt(FIX_BTMAP_BEGIN));printk(KERN_WARNING "fix_to_virt(FIX_BTMAP_END):   %08lx\n",fix_to_virt(FIX_BTMAP_END));printk(KERN_WARNING "FIX_BTMAP_END:       %d\n", FIX_BTMAP_END);printk(KERN_WARNING "FIX_BTMAP_BEGIN:     %d\n",FIX_BTMAP_BEGIN);}

ioremap

void __iomem *ioremap(resource_size_t phys_addr, unsigned long size)
{enum page_cache_mode pcm = _PAGE_CACHE_MODE_UC_MINUS;return __ioremap_caller(phys_addr, size, pcm,__builtin_return_address(0), false);
}
||
\/
static void __iomem *
__ioremap_caller(resource_size_t phys_addr, unsigned long size,enum page_cache_mode pcm, void *caller, bool encrypted)
{...__ioremap_check_mem(phys_addr, size, &io_desc); // 检查物理内存是否被标记，不涵盖EFI runtime services数据区域，但当SEV处于活动状态时，必须对其进行加密映射if (io_desc.flags & IORES_MAP_SYSTEM_RAM) { // 不能映射RAM内存WARN_ONCE(1, "ioremap on RAM at %pa - %pa\n",&phys_addr, &last_addr);return NULL;}offset = phys_addr & ~PAGE_MASK; phys_addr &= PHYSICAL_PAGE_MASK;size = PAGE_ALIGN(last_addr+1) - phys_addr;retval = memtype_reserve(phys_addr, (u64)phys_addr + size,pcm, &new_pcm); // 在rbtrees(红黑树)中嵌入节点prot = PAGE_KERNEL_IO;if ((io_desc.flags & IORES_MAP_ENCRYPTED) || encrypted) // 如果正在映射的页面在内存中并且SEV处于活动状态，则设置内存加密。在TDX客户机中，默认情况下内存被标记为私有，如果加密未请求(已使用加密)，显式设置解密*确保在中启用了内存加密属性prot = pgprot_encrypted(prot);elseprot = pgprot_decrypted(prot);area = get_vm_area_caller(size, VM_IOREMAP, caller); //执行vmap分配函数，设置虚拟内存区域if (!area)goto err_free_memtype;area->phys_addr = phys_addr;vaddr = (unsigned long) area->addr;if (memtype_kernel_map_sync(phys_addr, size, pcm))goto err_free_area;if (ioremap_page_range(vaddr, vaddr + size, phys_addr, prot)) // 将物理地址映射到虚拟地址goto err_free_area;ret_addr = (void __iomem *) (vaddr + offset);mmiotrace_ioremap(unaligned_phys_addr, unaligned_size, ret_addr); // 注册traceif (iomem_map_sanity_check(unaligned_phys_addr, unaligned_size)) // 检查请求是否跨越iomem资源树中的任何条pr_warn("caller %pS mapping multiple BARs\n", caller);return ret_addr;
err_free_area:free_vm_area(area);
err_free_memtype:memtype_free(phys_addr, phys_addr + size);return NULL;
}

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