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申明:本文章是对“Linux对I/O端口资源的管理”该文章进行总结,从2.4内核I/O端口资源管理经过少量的更改成2.6内核I/O资源管理
有些体系结构的CPU(如,PowerPC、m68k等)通常只实现一个物理地址空间(RAM)。在这种情况下,外设I/O端口的物理地址就被映射到 CPU的单一物理地址空间中,而成为内存的一部分。此时,CPU可以象访问一个内存单元那样访问外设I/O端口,而不需要设立专门的外设I/O指令。这就 是所谓的“内存映射方式。
而另外一些体系结构的CPU(典型地如X86)则为外设专门实现了一个单独地地址空间,称为“I/O地址空间”或者“I/O端口空间”。这是一个与 CPU地RAM物理地址空间不同的地址空间,所有外设的I/O端口均在这一空间中进行编址。CPU通过设立专门的I/O指令(如X86的IN和OUT指 令)来访问这一空间中的地址单元(也即I/O端口)。这就是所谓的“I/O映射方式”.
Linux将基于I/O映射方式的或内存映射方式的I/O端口通称为“I/O区域”(I/O region)。在讨论对I/O区域的管理之前,我们首先来分析一下Linux是如何实现“I/O资源”这一抽象概念的。
一、Linux对I/O资源的描述
Linux设计了一个通用的数据结构resource来描述各种I/O资源(如:I/O端口、外设内存、DMA和IRQ等)。
struct resource {
resource_size_t start;
resource_size_t end;
const char *name;
unsigned long flags;
struct resource *parent, *sibling, *child;
};
各成员的含义如下:
1. name指针:指向此资源的名称。
2. start和end:表示资源的起始物理地址和终止物理地址。它们确定了资源的范围,也即是一个闭区间[start,end]。
3. flags:描述此资源属性的标志(见下面)。
4. 指针parent、sibling和child:分别为指向父亲、兄弟和子资源的指针。
属性flags是一个unsigned long类型的32位标志值,用以描述资源的属性。比如:资源的类型、是否只读、是否可缓存,以及是否已被占用等。
二、Linux对I/O资源的管理
Linux是以一种倒置的树形结构来管理每一类I/O资源(如:I/O端口、外设内存、DMA和IRQ)的。每一类I/O资源都对应有一颗倒置的资源树,树中的每一个节点都是一个resource结构,而树的根结点root则描述了该类资源的整个资源空间。
基于上述这个思想,Linux在kernel/Resource.c文件中实现了对资源的申请、释放及查找等操作。
2.1 I/O资源的申请
假设某类资源有如下这样一颗资源树:
节点root、r1、r2和r3实际上都是一个resource结构类型。子资源r1、r2和r3通过sibling指针链接成一条单向非循环链表, 其表头由root节点中的child指针定义,因此也称为父资源的子资源链表。r1、r2和r3的parent指针均指向他们的父资源节点。
假设想在root节点中分配一段I/O资源。函数request_resource()实现这一功能。它有两个参 数:①root指针,表示要在哪个资源根节点中进行分配;②new指针,指向描述所要分配的资源的resource结构。
int request_resource(struct resource *root, struct resource *new)
{
struct resource *conflict;
write_lock(&resource_lock);
conflict = __request_resource(root, new);
write_unlock(&resource_lock);
return conflict ? -EBUSY : 0;
}
①资源锁resource_lock对所有资源树进行读写保护,任何代码段在访问某一颗资源树之前都必须先持有该锁。其定义如下(kernel/resource.c):
static DEFINE_RWLOCK(resource_lock);
②可以看出,函数实际上是通过调用内部静态函数__request_resource()来完成实际的资源分配工作。如果该函数返回非空指针,则表示有资源冲突;否则,返回NULL就表示分配成功。
③最后,如果conflict指针为NULL,则request_resource()函数返回返回值0,表示成功;否则返回-EBUSY表示想要分配的资源已被占用。
函数__request_resource()完成实际的资源分配工作。如果参数new所描述的资源中的一部分或全部已经被其它节点所占用,则函数返回与new相冲突的resource结构的指针。否则就返回NULL。
static struct resource * __request_resource(struct resource *root, struct resource *new)
{
resource_size_t start = new->start;
resource_size_t end = new->end;
struct resource *tmp, **p;
if (end start)
return root;
if (start root->start)
return root;
if (end > root->end)
return root;
p = &root->child;
for (;;) {
tmp = *p;
if (!tmp || tmp->start > end) {
new->sibling = tmp;
*p = new;
new->parent = root;
return NULL;
}
p = &tmp->sibling;
if (tmp->end start)
continue;
return tmp;
}
}
①前三个if语句判断new所描述的资源范围是否被包含在root内,以及是否是一段有效的资源(因为end必须大于start)。否则就返回root指针,表示与根结点相冲突。
②接下来用一个for循环遍历根节点root的child链表,以便检查是否有资源冲突,并将new插入到child链表中的合适位置(child链 表是以I/O资源物理地址从低到高的顺序排列的)。为此,它用tmp指针指向当前正被扫描的resource结构,用指针p指向前一个resource结 构的sibling指针成员变量,p的初始值为指向root->sibling。For循环体的执行步骤如下:
l> 让tmp指向当前正被扫描的resource结构(tmp=*p)。
2> 判断tmp指针是否为空(tmp指针为空说明已经遍历完整个child链表),或者当前被扫描节点的起始位置start是否比new的结束位置end还要 大。只要这两个条件之一成立的话,就说明没有资源冲突,于是就可以把new链入child链表中:①设置new的sibling指针指向当前正被扫描的节 点tmp(new->sibling=tmp);②当前节点tmp的前一个兄弟节点的sibling指针被修改为指向new这个节点 (*p=new);③将new的parent指针设置为指向root。然后函数就可以返回了(返回值NULL表示没有资源冲突)。
3> 如果上述两个条件都不成立,这说明当前被扫描节点的资源域有可能与new相冲突(实际上就是两个闭区间有交集),因此需要进一步判断。为此它首先修改指针 p,让它指向tmp->sibling,以便于继续扫描child链表。然后,判断tmp->end是否小于new->start,如 果小于,则说明当前节点tmp和new没有资源冲突,因此执行continue语句,继续向下扫描child链表。否则,如果tmp->end大于 或等于new->start,则说明tmp->[start,end]和new->[start,end]之间有交集。所以返回当前节 点的指针tmp,表示发生资源冲突。
2.2 I/O资源的释放
函数release_resource()用于实现I/O资源的释放。该函数只有一个参数——即指针old,它指向所要释放的资源。
int release_resource(struct resource *old)
{
int retval;
write_lock(&resource_lock);
retval = __release_resource(old);
write_unlock(&resource_lock);
return retval;
}
可以看出,它实际上通过调用__release_resource()这个内部静态函数来完成实际的资源释放工作。函数__release_resource()的主要任务就是将资源区域old(如果已经存在的话)从其父资源的child链表重摘除。
static int __release_resource(struct resource *old)
{
struct resource *tmp, **p;
p = &old->parent->child;
for (;;) {
tmp = *p;
if (!tmp)
break;
if (tmp == old) {
*p = tmp->sibling;
old->parent = NULL;
return 0;
}
p = &tmp->sibling;
}
return -EINVAL;
}
同函数__request_resource()相类似,该函数也是通过一个for循环来遍历父资源的child链表。为此,它让tmp指针指向当前 被扫描的资源,而指针p则指向当前节点的前一个节点的sibling成员(p的初始值为指向父资源的child指针)。循环体的步骤如下:
①首先,让tmp指针指向当前被扫描的节点(tmp=*p)。
②如果tmp指针为空,说明已经遍历完整个child链表,因此执行break语句推出for循环。由于在遍历过程中没有在child链表中找到参数old所指定的资源节点,因此最后返回错误值-EINVAL,表示参数old是一个无效的值。
③接下来,判断当前被扫描节点是否就是参数old所指定的资源节点。如果是,那就将old从child链表中去除,也即让当前结点tmp的前一个兄弟 节点的sibling指针指向tmp的下一个节点,然后将old->parent指针设置为NULL。最后返回0值表示执行成功。
④如果当前被扫描节点不是资源old,那就继续扫描child链表中的下一个元素。因此将指针p指向tmp->sibling成员。
在find_resource()函数的基础上,函数allocate_resource()实现:在一颗资源树中分配一条指定大小的、且包含在指定区域[min,max]中的、未使用资源区域。
int allocate_resource(struct resource *root, struct resource *new,
resource_size_t size, resource_size_t min,
resource_size_t max, resource_size_t align,
void (*alignf)(void *, struct resource *,
resource_size_t, resource_size_t),
void *alignf_data)
{
int err;
write_lock(&resource_lock);
err = find_resource(root, new, size, min, max, align, alignf, alignf_data);
if (err >= 0 && __request_resource(root, new))
err = -EBUSY;
write_unlock(&resource_lock);
return err;
}
本文来自ChinaUnix博客,如果查看原文请点:http://blog.chinaunix.net/u1/55599/showart_2062230.html |
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