Linux设备驱动实战：MMIO内存映射I/O访问指南与嵌入式开发避坑

驱动程序的核心工作是读写硬件寄存器，以配置模式、读取状态或写入数据。然而，在启用MMU（内存管理单元）的Linux系统中，无法直接操作物理地址。

CPU访问外设主要有两种架构方式：

• I/O 端口 (Port I/O)
  • 代表架构：x86（传统方式）
  • 特点：内存和I/O拥有独立的地址空间，CPU使用专门的指令（如IN, OUT）访问。
  • Linux API: inb(), outb() 等。
• 内存映射 I/O (MMIO - Memory Mapped I/O)
  • 代表架构：ARM, RISC-V, MIPS, PowerPC，以及现代x86的大多数外设。
  • 特点：统一编址，硬件寄存器被映射到CPU的内存地址空间中，读写寄存器就像读写普通内存。
  • 场景：嵌入式Linux开发中99%会遇到的情况。

MMU 与虚拟地址

• 物理地址：硬件手册上定义的地址。例如，某SoC的GPIO控制器基地址是0x12340000。
• 虚拟地址：Linux内核代码中实际使用的地址。

关键原则：在Linux内核驱动中，绝对不能直接使用物理地址。例如，int *p = (int *)0x12340000; *p = 1; 会导致内核报错“Unable to handle kernel paging request”并崩溃。必须通过映射，将物理地址转换为内核可用的虚拟地址。

步骤一：映射（Mapping）

将物理地址映射为虚拟地址的标准接口如下：

#include <linux/io.h>
// 经典方式
void __iomem *base_addr = ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size);
// 释放
iounmap(base_addr);

• phys_addr：物理起始地址（通常从设备树获取）。
• size：需要映射的区域大小（字节）。
• base_addr：返回的虚拟地址指针。__iomem修饰符用于提醒编译器这是I/O内存，不要进行优化。

最佳实践：推荐使用devm_ioremap或devm_ioremap_resource。这些托管函数将映射的生命周期与设备绑定，驱动卸载时自动释放，避免资源泄漏。

步骤二：访问（Read/Write）

获得base_addr后，切勿直接使用指针解引用（如*base_addr = 0）。原因包括：

1. 架构差异：不同CPU对I/O内存的访问方式不同。
2. 缓存问题：寄存器访问不能被缓存，必须直达硬件。
3. 指令重排：编译器优化可能打乱访问顺序，需要内存屏障来保证。

必须使用内核提供的专用读写宏：

/* 读寄存器 */
u8 readb(void __iomem *addr)  // 8位 (Byte)
u16 readw(void __iomem *addr) // 16位 (Word)
u32 readl(void __iomem *addr) // 32位 (Long - 最常用)
u64 readq(void __iomem *addr) // 64位 (Quad)

/* 写寄存器 */
void writeb(u8 value, void __iomem *addr)
void writew(u16 value, void __iomem *addr)
void writel(u32 value, void __iomem *addr) // 最常用
void writeq(u64 value, void __iomem *addr)

实战：基于设备树（Device Tree）的MMIO操作

1. 设备树描述

在设备树中定义硬件寄存器区域：

my_led_device {
    compatible = "learn,my-mmio-led";
    /* reg属性：<物理基地址 长度> */
    reg = <0x10005000 0x100>;
};

2. 驱动代码实现

以下是一个完整的驱动示例，展示了从映射到读写的完整流程。

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/io.h>
#include <linux/of.h>

/* 假设的寄存器偏移量 */
#define REG_CTRL   0x00  // 控制寄存器
#define REG_DATA   0x04  // 数据寄存器

struct my_chip_data {
    void __iomem *base_addr; // 保存映射后的基地址
    struct device *dev;
};

static int my_probe(struct platform_device *pdev)
{
    struct my_chip_data *data;
    struct resource *res;
    u32 val;

    data = devm_kzalloc(&pdev->dev, sizeof(*data), GFP_KERNEL);
    if (!data) return -ENOMEM;
    data->dev = &pdev->dev;
    platform_set_drvdata(pdev, data);

    /* 1. 获取资源 (Physical Address)
     * 从设备树的 ‘reg’ 属性中提取物理地址范围
     */
    res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0);
    if (!res) {
        dev_err(&pdev->dev, "无法获取内存资源\n");
        return -ENODEV;
    }

    /* 2. 映射 (Mapping)
     * devm_ioremap_resource 内部完成：
     * a. 检查资源合法性
     * b. request_mem_region (申请独占该物理区域)
     * c. ioremap (建立页表映射)
     */
    data->base_addr = devm_ioremap_resource(&pdev->dev, res);
    if (IS_ERR(data->base_addr)) {
        dev_err(&pdev->dev, "映射失败\n");
        return PTR_ERR(data->base_addr);
    }
    dev_info(&pdev->dev, "映射成功! 物理地址: %pr, 虚拟地址: %p\n", res, data->base_addr);

    /* 3. 读写操作 (Access) */
    // --- 写操作示例：开启芯片使能位 (Bit 0 置 1) ---
    // 标准 Read-Modify-Write 流程
    val = readl(data->base_addr + REG_CTRL); // A. 读出当前值
    val |= (1 << 0);                        // B. 修改位
    writel(val, data->base_addr + REG_CTRL); // C. 写回
    dev_info(&pdev->dev, "已向 CTRL 寄存器写入: 0x%x\n", val);

    // --- 读操作示例 ---
    val = readl(data->base_addr + REG_DATA);
    dev_info(&pdev->dev, "读取到 DATA 寄存器值: 0x%x\n", val);

    return 0;
}

static int my_remove(struct platform_device *pdev)
{
    // 使用 devm_ 系列函数，无需手动释放
    dev_info(&pdev->dev, "驱动卸载\n");
    return 0;
}

static const struct of_device_id my_match[] = {
    { .compatible = "learn,my-mmio-led" },
    { }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, my_match);

static struct platform_driver my_driver = {
    .probe = my_probe,
    .remove = my_remove,
    .driver = {
        .name = "my_mmio_driver",
        .of_match_table = my_match,
    },
};
module_platform_driver(my_driver);
MODULE_LICENSE("GPL");

该示例清晰地展示了在设备树驱动框架下，如何安全、正确地访问MMIO区域，是嵌入式Linux驱动开发的通用范式。