linux设备驱动归纳总结(五)：1.在内核空间分配内存

一般的，用户空间使用函数malloc在堆上分配内存空间，同样的，在内核空间同样有一套类似的函数来分配空间。下面的知识会涉及页式管理的内存机制，如果不懂的要先复习一下，在S3C2440数据手册的MMU部分有介绍。xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxx

一、内核空间和用户空间有什么不同

学c语言的时候应该学过，从用户空间看，每个进程都傻乎乎的以为自己有4G 的内存空间，其中位于高地址（3G-4G）的1G空间给内核用，另外的3G（0-3G）都是它一个人独占的。所以用户空间很慷慨的把3G的空间分了好几个区域，如堆、栈、代码段等。其中，malloc()分配的空间位于堆，而程序中的自动变量，如你在函数内定义的“int i”，它是放在栈上，同时。用户空间的栈是可变栈，即随着数据的增多，对应函数的栈空间也会增多。

跟每个用户空间的进程不一样，内核只有1G的空间，同时，除了自己本身有进程运行外，内核还要允许用户空间进程调用系统调用进入内核空间去执行。所以，内核对此相当吝啬，它规定在内核中的每个进程都只有4KB或8KB（32位下）的定长栈。出于这样的原因，大的数据结构就不能在栈中分配，只能请求内核分配新的空间来存放数据，如函数kmalloc()。

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二、内存的基本单位是字节吗？

在介绍分配内存空间的函数前，我们还要了解一下内存是怎么被划分的。

内核不仅知道用户空间中看到的1G内核空间是假的，它还知道实际的物理内存是多少（我的开发板是64M）。所以，内核的其中一个任务就是，当这段虚假内存中的数据需要调用时，内核把这段虚拟内存与实际的物理内存对应上，运行完后又把两段内存的对应关系撤销掉给另外的虚拟内存用。

既然知道虚拟内存与物理内存的关系，那它们是怎么对应的，难道是一个一个字节？如果这样子做的话内核肯定觉得崩溃。

页是内存管理的基本单位。内存管理器（MMU，用于虚拟地址与物理地址之间的转换）通常以页为单位进行出来。页是内存管理的最小单位。在32位的系统中，一页的大小为4KB。所以，64M的物理内存将被分为16384个页。每一个物理页对应地用一个struct page来维护，注意，该结构体是用来维护物理页，而不是虚拟也，结构体记录该页是否被使用，对应的虚拟地址是多少等信息。

由于内存访问的限制，内核又把内存分成了3个区。

如有些硬件的访问只能在24位的地址空间寻址，出于这总访问限制，linux把前16MB划分为ZONE_DMA——用于直接内存访问（MDA）。

在x86体系里，高于896M的内存空间称为高端内存，这段内存区域的页和普通的内存页操作后有差异，这段区域划分为ZONE_HIGHMEM。

剩下的，加载这两段区域之间的就是我们平时用的普通内存区域

——ZONE_NORMAL。

这这里要注意一下：

1）这些分区是指linux自己分的，当然，如果普通分区不够用，当然也可以占用其他区的空间。

2）分区的大小是根据体系结构而定的，一般的ARM下，ZONE_NORMAL就是所有的可用内存区域。

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三、分配内存时使用的标记gfp_mask

在讲如何分配内存之前，先讲一下分配内存时将会用到的gfp_mask。简单地讲，这个标记指定了分配内存时的要求。具体分三类：

行为修饰符：表示内核应当如何分配内存，如指定不能休眠等。

区修饰符：指定内存将要分配到上面讲的三个区中的哪一个。

类型标记：这包含了上面两种修饰符（或运算），这些标记是为了让用户更好地去使用。

标记有很多，我这里不一一介绍，需要的可以自己查阅《linux内核设计与实现（第三版）》P238页。这里我讲两个常用的类型标记：

1）GFP_KERNEL：最常用的标记，用于可睡眠的进程上下文。

2）GFP_ATOMIC：使用了这个标记，内存分配函数不会引起随眠。

3）GFP_USER：当需要给用户空间分配内存空间时使用该标记。

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四、分配内存的第一种方法——按页分配

这是内核提供的一种请求内存的底层机制，都是以页为单位分配内存。以下函数包含在

这分为两个步骤：

1、请求内核分配页，获得物理页对应的结构体struct page：

static inline struct page * alloc_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order)

使用：

该函数用于申请(1<

返回值：

成功返回一个指针，指向这连续物理页的第一个struct page结构体，失败返回NULL。

2、分配页后还不能直接用，需要得到该页对应的虚拟地址：

void *page_address(struct page *page)

其实这个函数就是获取page的成员virtual，但千万不要直接访问，需要使用这个函数。函数返回的是物理页对应的虚拟地址，注意，如果你申请了多个物理页，分配的物理页是连续的，对应的虚拟地址也是连续的。

上面的两个步骤其实可以合成一个函数：

unsigned long __get_free_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order)

这个函数的传参和alloc_pages的一样，不过它直接返回申请的物理页对应的虚拟地址。

当然，无论使用上面的哪种方法，当内存不用时，需要调用函数释放：

1、如果你使用上面的第一种方法：

void __free_pages(struct pag e *page, unsigned int order)

2、如果你使用的是第二种方法：

void free_pages(unsigned long addr, unsigned int order)

下面来个程序：

/*5th_mm/5th_mm_1/1st/test.c*/

1 #include

2 #include

3

4 #include

5

6 struct page *p;

7 char *s;

8

9 static int __init test_init(void) //模块初始化函数

10 {

11 unsigned long virt, phys;

12

13 #define SWITCH 0 //通过定义这个来切换校验这两种不同的方法