转载－－Linux 2.6内核I/O端口资源管理

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;
}

三、管理I/O Region资源
　　Linux将基于I/O映射方式的I/O端口和基于内存映射方式的I/O端口资源统称为“I/O区域”（I/O Region）。I/O Region仍然是一种I/O资源，因此它仍然可以用resource结构类型来描述。下面我们就来看看Linux是如何管理I/O Region的。
　　3.1 I/O Region的分配
　　Linux实现了用于分配I/O区域的函数__request_region()，如下:



struct resource * __request_region(struct resource *parent,
                                   resource_size_t start, resource_size_t n,
                                   const char *name)
{
        struct resource *res = kzalloc(sizeof(*res), GFP_KERNEL);

        if (res) {
                res->name = name;
                res->start = start;
                res->end = start + n - 1;
                res->flags = IORESOURCE_BUSY;

                write_lock(&resource_lock);

                for (;;) {
                        struct resource *conflict;

                        conflict = __request_resource(parent, res);
                        if (!conflict)
                                break;
                        if (conflict != parent) {
                                parent = conflict;
                                if (!(conflict->flags & IORESOURCE_BUSY))
                                        continue;
                        }

                        /* Uhhuh, that didn't work out.. */
                        kfree(res);
                        res = NULL;
                        break;
                }
                write_unlock(&resource_lock);
        }
        return res;
}

　　①首先，调用kmalloc（）函数在SLAB分配器缓存中分配一个resource结构。
　　②然后，相应的根据参数值初始化所分配的resource结构。注意！flags成员被初始化为IORESOURCE_BUSY。
　　③接下来，用一个for循环开始进行资源分配，循环体的步骤如下：
　　1> 首先，调用__request_resource()函数进行资源分配。如果返回NULL，说明分配成功，因此就执行break语句推出for循环，返回所分配的resource结构的指针，函数成功地结束。
　　2> 如果__request_resource()函数分配不成功，则进一步判断所返回的冲突资源节点是否就是父资源节点parent。如果不是，则将分配行 为下降一个层次，即试图在当前冲突的资源节点中进行分配（只有在冲突的资源节点没有设置IORESOURCE_BUSY的情况下才可以），于是让 parent指针等于conflict，并在conflict->flags&IORESOURCE_BUSY为0的情况下执行 continue语句继续for循环。
　　3> 否则如果相冲突的资源节点就是父节点parent，或者相冲突资源节点设置了IORESOURCE_BUSY标志位，则宣告分配失败。于是调用 kfree（）函数释放所分配的resource结构，并将res指针置为NULL，最后用break语句推出for循环。
　　④最后，返回所分配的resource结构的指针。

3.2 I/O Region释放
　　函数__release_region()实现在一个父资源节点parent中释放给定范围的I/O Region。实际上该函数的实现思想与__release_resource()相类似。

void __release_region(struct resource *parent, resource_size_t start,
                        resource_size_t n)
{
        struct resource **p;
        resource_size_t end;

        p = &parent->child;
        end = start + n - 1;

        write_lock(&resource_lock);

        for (;;) {
                struct resource *res = *p;

                if (!res)
                        break;
                if (res->start <= start && res->end >= end) {
                        if (!(res->flags & IORESOURCE_BUSY)) {
                                p = &res->child;
                                continue;
                        }
                        if (res->start != start || res->end != end)
                                break;
                        *p = res->sibling;
                        write_unlock(&resource_lock);
                        kfree(res);
                        return;
                }
                p = &res->sibling;
        }

        write_unlock(&resource_lock);

        printk(KERN_WARNING "Trying to free nonexistent resource "
                "<%016llx-%016llx>\n", (unsigned long long)start,
                (unsigned long long)end);
}
　　①让res指针指向当前被扫描的子资源节点（res＝*p）。
　　②如果res指针为NULL，说明已经扫描完整个child链表，所以退出for循环。
　　③如果res指针不为NULL，则继续看看所指定的I/O区域范围是否完全包含在当前资源节点中，也即看看[start,start+n-1]是否包 含在res->[start,end]中。如果不属于，则让p指向当前资源节点的sibling成员，然后继续for循环。如果属于，则执行下列步 骤：
　　1> 先看看当前资源节点是否设置了IORESOURCE_BUSY标志位。如果没有设置该标志位，则说明该资源节点下面可能还会有子节点，因此将扫描过程下降 一个层次，于是修改p指针，使它指向res->child，然后执行continue语句继续for循环。
　　2> 如果设置了IORESOURCE_BUSY标志位。则一定要确保当前资源节点就是所指定的I/O区域，然后将当前资源节点从其父资源的child链表中去 除。这可以通过让前一个兄弟资源节点的sibling指针指向当前资源节点的下一个兄弟资源节点来实现（即让*p=res->sibling），最 后调用kfree（）函数释放当前资源节点的resource结构。然后函数就可以成功返回了。

四、管理I/O端口资源
　　Linux是基于“I/O Region”这一概念来实现对I/O端口资源（I/O－mapped 或 Memory－mapped）的管理的。
　　4．1 资源根节点的定义
　　Linux在kernel/Resource.c文件中定义了全局变量ioport_resource和iomem_resource，来分别描述基 于I/O映射方式的整个I/O端口空间和基于内存映射方式的I/O内存资源空间（包括I/O端口和外设内存）。其定义如下：

struct resource ioport_resource = {
        .name = "PCI IO",
        .start = 0,
        .end = IO_SPACE_LIMIT,
        .flags = IORESOURCE_IO,
};

struct resource iomem_resource = {
        .name = "PCI mem",
        .start = 0,
        .end = -1,
        .flags = IORESOURCE_MEM,
};