3. ioremap 函数详解

在 Linux 驱动开发中，ioremap 是连接物理 IO 内存与内核虚拟地址空间的核心桥梁。驱动程序无法直接访问物理地址，必须通过 ioremap 将物理 IO 内存区域映射到内核虚拟地址空间，才能使用标准的内存访问指令（如 readb/writel）进行读写。本节将深入剖析 ioremap 的原型、参数、返回值及其与 ioremap_nocache 的关键区别。

3.1 ioremap 函数原型与参数

ioremap 函数在 <asm/io.h> 中声明，其原型如下：

#include <asm/io.h>

void __iomem *ioremap(phys_addr_t offset, unsigned long size);

3.2 ioremap 映射流程

下图展示了从物理 IO 地址到内核虚拟地址的完整映射过程：

3.3 ioremap 与 ioremap_nocache 的区别

Linux 内核提供了 ioremap_nocache 函数，用于建立非缓存的 IO 内存映射。在大多数现代架构上，ioremap 默认行为已经等同于 ioremap_nocache，但了解其历史区别仍然重要。

3.4 典型使用模式

以下代码展示了驱动中 ioremap 的标准使用模式：

#include <linux/io.h>
#include <linux/slab.h>

struct my_device {
    void __iomem *regs;
    unsigned long phys_base;
    unsigned long region_size;
};

static int my_device_probe(struct platform_device *pdev)
{
    struct my_device *dev;
    struct resource *res;

    dev = kzalloc(sizeof(*dev), GFP_KERNEL);
    if (!dev)
        return -ENOMEM;

    // 1. 获取物理地址和大小
    res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0);
    dev->phys_base = res->start;
    dev->region_size = resource_size(res);

    // 2. 请求 IO 内存区域
    if (!request_mem_region(dev->phys_base, dev->region_size, "my_device")) {
        dev_err(&pdev->dev, "无法请求 IO 内存区域\n");
        kfree(dev);
        return -EBUSY;
    }

    // 3. 建立映射
    dev->regs = ioremap(dev->phys_base, dev->region_size);
    if (!dev->regs) {
        dev_err(&pdev->dev, "ioremap 失败\n");
        release_mem_region(dev->phys_base, dev->region_size);
        kfree(dev);
        return -ENOMEM;
    }

    // 4. 访问寄存器（示例：读取设备 ID）
    u32 device_id = ioread32(dev->regs + 0x00);
    dev_info(&pdev->dev, "设备 ID: 0x%08x\n", device_id);

    // 5. 写入控制寄存器
    iowrite32(0x01, dev->regs + 0x04);

    platform_set_drvdata(pdev, dev);
    return 0;
}

static int my_device_remove(struct platform_device *pdev)
{
    struct my_device *dev = platform_get_drvdata(pdev);

    // 6. 解除映射并释放资源
    if (dev->regs) {
        iounmap(dev->regs);
        release_mem_region(dev->phys_base, dev->region_size);
    }
    kfree(dev);
    return 0;
}

3.5 ioremap 映射与取消映射的生命周期

下图展示了 ioremap 从建立到销毁的完整生命周期，以及各阶段的关键操作：

3.6 关键注意事项

• 映射粒度：ioremap 以页为单位进行映射，即使指定 size 小于一页（4KB），内核也会映射整个页。多余部分不可访问，但不会报错。
• 多次映射：同一物理地址可以被多次 ioremap，每次返回不同的虚拟地址。但应避免对同一寄存器区域建立多个映射，防止缓存一致性问题。
• 原子上下文：ioremap 可能睡眠（分配页表），不能在中断上下文、spinlock 持有期间调用。
• 64 位地址：在 64 位系统上，phys_addr_t 为 64 位宽，可映射高于 4GB 的物理地址。
• 调试辅助：使用 /proc/iomem 查看系统 IO 内存分配情况，使用 /proc/ioports 查看 IO 端口分配。