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内核探索:Regmap 框架:简化慢速 I/O 接口优化性能

Wen Pingbo 创作于 2015/03/27

by WEN Pingbo of TinyLab.org 2015/03/23

简介

Regmap 机制是在 Linux 3.1 加入进来的特性。主要目的是减少慢速 I/O 驱动上的重复逻辑,提供一种通用的接口来操作底层硬件上的寄存器。其实这就是内核做的一次重构。Regmap 除了能做到统一的 I/O 接口,还可以在驱动和硬件 IC 之间做一层缓存,从而能减少底层 I/O 的操作次数。

使用对比

在了解 Regmap 的实现细节前,我们先来对比一下,传统操作寄存器的方式,与 Regmap 之间的差异。

传统方式

我们以一个 I2C 设备为例。读写一个寄存器,肯定需要用到 i2c_transfer 这样的 I2C 函数。为了方便,一般的驱动中,会在这之上再写一个 Wrapper,然后通过调用这个 Wrapper 来读写寄存器。比如如下这个读取寄存器的函数:

static int xxx_i2c_read_reg(struct i2c_client *client, u8 reg, u8 *val)
{
    struct i2c_msg msg[] = {
        {
            .addr = client->addr,
            .flags = 0,
            .len = 1,
            .buf = &reg,
        },
        {
            .addr = client->addr,
            .flags = I2C_M_RD,
            .len = 1,
            .buf = val,
        },
    };

    return i2c_transfer(client->adapter, msg, 2);
}

Regmap方式

而如果 regmap 的方式来实现,对于上面这种读寄存器操作,其实现如下:

// first step: define regmap_config
static const struct regmap_config xxx_regmap_config = {
    .reg_bits = 10,
    .val_bits = 14,

    .max_register = 40,
    .cache_type = REGCACHE_RBTREE,

    .volatile_reg = false,
    .readable_reg = false,
};

// second step: initialize regmap in driver loading
regmap = regmap_init_i2c(i2c_client, &xxx_regmap_config);

// third step: register operations
regmap_read(regmap, XXX_REG, &value);

代码中,做的第一步就是定义 IC 的一些寄存器信息。比如:位宽,地址位宽,寄存器总数等。然后在驱动加载的时候,初始化 Regmap,这样就可以正常调用 Regmap 的 API 了。

可以看到,为了让慢速 I/O 能够专注于自身的逻辑,内核把 SPI, I2C 等总线操作方式全部封装在 Regmap 里,这样驱动若要做 I/O 操作,直接调用 Regmap 的函数就可以了。

实现细节

整个 Regmap 是分为 3 层,其拓扑结构如下:

Linux Regmap

这里通过其中 3 个核心结构体来分别说明。

regmap_config

struct regmap_config 结构体代表一个设备的寄存器配置信息,在做 Regmap 初始化时,驱动就需要把这个结构体传给 Regmap。这个结构体的定义在 include/linux/regmap.h,其中包含该设备的寄存器数量,寄存器位宽,缓存类型,读写属性等。

这一层是直接和驱动对接的。Regmap 根据传进来的 regmap_config 初始化对应的缓存和总线操作接口,驱动就可以正常调用 regmap_writeregmap_read 函数。

regmap_ops

struct regmap_ops 是用来定义一个缓存类型的,具体定义如下:

struct regcache_ops {
    const char *name;
    enum regcache_type type;
    int (*init)(struct regmap *map);
    int (*exit)(struct regmap *map);
#ifdef CONFIG_DEBUG_FS
    void (*debugfs_init)(struct regmap *map);
#endif
    int (*read)(struct regmap *map, unsigned int reg, unsigned int *value);
    int (*write)(struct regmap *map, unsigned int reg, unsigned int value);
    int (*sync)(struct regmap *map, unsigned int min, unsigned int max);
    int (*drop)(struct regmap *map, unsigned int min, unsigned int max);
};

在最新 Linux 4.0 版本中,已经有 3 种缓存类型,分别是数组(flat)、LZO 压缩和红黑树(rbtree)。数组好理解,是最简单的缓存类型,当设备寄存器很少时,可以用这种类型来缓存寄存器值。LZO(Lempel–Ziv–Oberhumer) 是 Linux 中经常用到的一种压缩算法,Linux 编译后就会用这个算法来压缩。这个算法有 3 个特性:压缩快,解压不需要额外内存,压缩比可以自动调节。在这里,你可以理解为一个数组缓存,套了一层压缩,来节约内存。当设备寄存器数量中等时,可以考虑这种缓存类型。而最后一类红黑树,它的特性就是索引快,所以当设备寄存器数量比较大,或者对寄存器操作延时要求低时,就可以用这种缓存类型。

缓存的类型是在 Regmap 初始化时,由 .cache_type = REGCACHE_RBTREE 来指定的。对于 regmap_read 来说,会先判断当前缓存是否有值,然后再检查是否需要 bypass,若没有,则可以直接从缓存里面取值,调用 regcache_read 来获取值,若需要从硬件上读取,则调用具体协议的读写函数,若是 I2C,调用 i2c_transfer。写的过程也是大同小异。

regmap_bus

前面说的都是 Regmap 所做的封装,而真正进行 I/O 操作就是这最后一层。struct regmap_bus 定义了一个总线上的读写函数,这一层就像之前对 i2c_transfer 所做的封装一样。其定义如下:

struct regmap_bus {
    bool fast_io;
    regmap_hw_write write;
    regmap_hw_gather_write gather_write;
    regmap_hw_async_write async_write;
    regmap_hw_reg_write reg_write;
    regmap_hw_read read;
    regmap_hw_reg_read reg_read;
    regmap_hw_free_context free_context;
    regmap_hw_async_alloc async_alloc;
    u8 read_flag_mask;
    enum regmap_endian reg_format_endian_default;
    enum regmap_endian val_format_endian_default;
};

在 Lernel 4.0 中,已经支持了 I2C、SPI、AC97、MMIO 和 SPMI 五种总线类型。相信在未来,有更多的总线会加进来。其实添加一个总线也不是很难,只需 4 个函数就可以了:xxx_readxxx_writexxx_initxxx_deinit。具体可以看源码,这里就不多说了,留个任务在这吧。

Reference

  1. regmap: Generic I2C and SPI register map library
  2. include/linux/regmap.h
  3. drivers/base/regmap

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