1. 原因

• 這里只考慮有 MMU 的芯片，Linux 為了實現進程虛擬地址空間，在啟用 MMU 后，在內核中操作的都是虛擬地址，內核訪問不到物理地址。
• 如果在驅動里直接訪問物理地址，等于訪問了一個非法地址，會導致內核崩潰，下面會有一個相關的小實驗。
• 通過 ioremap 將物理地址映射為虛擬地址后，內核就能通過 ioremap() 返回的虛擬地址，以 虛擬地址->mmu頁表映射-> 物理地址 的形式正確地訪問到物理地址了。
• ARM Linux 引入設備樹特性后，一些支持設備樹的設備驅動不再使用直接 ioremap()，改用 drivers/of/address.c/of_iomap()，of_iomap() 的內部仍然會調用 ioremap()，例如：

clk-rk3288.c (driversclkrockchip)
static void rk3288_clk_init(struct device_node *np) {
    rk3288_cru_base = of_iomap(np, 0);
    [...]
}

2. ioremap() 實驗

實驗環境：

• Linux-4.14 + Allwinner/H3。

實驗代碼：

#include < linux/init.h >
#include < linux/module.h >
#include < linux/sched.h >
#include < asm/io.h >

#define USE_IOREMAP

#define H3_GPIO_BASE (0x01C20800)

static volatile unsigned long *gpio_regs = NULL;

static int __init ioremap_mod_init(void)
{

    int i = 0;
    printk(KERN_INFO "ioremap_mod initn");

#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] = %lxn", i, gpio_regs[i]);

    return 0;
}
module_init(ioremap_mod_init);

static void __exit ioremap_mod_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO "ioremap_mod exitn ");

#ifdef USE_IOREMAP
    iounmap(gpio_regs);
#endif 
}

module_exit(ioremap_mod_exit);

MODULE_AUTHOR("es-hacker");
MODULE_LICENSE("GPL v2");

實驗結果：

使用了 ioremap()

$ insmod ioremap
ioremap_mod init
reg[0] = 71227722
reg[1] = 33322177
reg[2] = 773373

未使用 ioremap():

$ insmod ioremap_mod.ko

Unable to handle kernel paging request at virtual address 01c20800
pgd = 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
Hardware name: sun8i
task: ef15d140 task.stack: edc50000
PC is at ioremap_mod_init+0x3c/0x1000 [ioremap_mod]
LR is at ioremap_mod_init+0x14/0x1000 [ioremap_mod]
pc : [< bf5d903c >]    lr : [< bf5d9014 >]    psr: 600e0013
sp : edc51df8  ip : 00000007  fp : 118fa95c
r10: 00000001  r9 : ee7056c0  r8 : bf5d6048
r7 : bf5d6000  r6 : 00000000  r5 : bf5d6200  r4 : 00000000
r3 : 01c20800  r2 : 01c20800  r1 : 00000000  r0 : bf5d5048
Flags: nZCv  IRQs on  FIQs on  Mode SVC_32  ISA ARM  Segment user
Control: 30c5387d  Table: 49ece7c0  DAC: b106c794
Process insmod (pid: 1253, stack limit = 0xedc50210)

[

3. ioremap() 的實現內幕

ioremap() 的實現內幕會涉及到比較多的內存管理的知識，這里我們拋開代碼細節簡單了解一下原理就好。

• ioremap() 將 vmalloc 區的某段虛擬內存塊映射到 io memory，其實現原理與vmalloc() 類似，都是通過在 vmalloc 區分配虛擬地址塊，然后修改內核頁表的方式將其映射到設備的 I/O 地址空間。
• 與 vmalloc() 不同的是，ioremap 并不需要通過伙伴系統去分配物理頁，因為ioremap 要映射的目標地址是 io memory，不是物理內存 (RAM)。

函數調用流程：

總結一下：

• 相關檢查;
• 分配一個 vm_struct 結構體，內核在管理虛擬內存中的 vmalloc 區時,內核必須跟蹤哪些子區域被使用、哪些是空閑的，對應的數據結構就是 vm_strcut。
• 初始化 vm_struct;
• 建立頁表;