linux kernel如何处理大端小端字节序

（转）http://blog.csdn.net/skyflying2012/article/details/43771179

最近在做将kernel由小端处理器（arm）向大端处理器（ppc）的移植的工作，现在kernel进入console稳定工作，基本工作已经完成，不过移植中有很多心得还是需要总结下，今天先将kernel对于大小端字节序的处理来总结下。

之前写过大小端字节序的思考，文章链接地址：http://blog.csdn.NET/skyflying2012/article/details/42065427。

根据之前的理解，字节序可以认为是处理器主观的概念，就像人如何去看待事物一样，处理器分大端和小端，对于内存的读写，只要保证数据类型一致，就不存在字节序的问题。

因此我感觉，字节序不同造成的最大差异在于对于寄存器的读写。因为外设寄存器都是小端的（根据kernel代码得出结论，下面还会在详细解释）

根据我之前字节序思考的文章，对于寄存器读写差异，有2种方案：

（1）从硬件上解决这个问题，对于32位cpu，将32根数据总线反接，但是这样对于寻址小于32位数据可能有问题，并且不能所有模块都反接（如内存），这还涉及到编译器的问题。

（2）从软件上解决这个问题，在底层读写寄存器函数中，将读/写的数据进行swap。

作为软件人员，我最关心第二种方案是否可行，因为在读写寄存器时对数据进行swap，增加了寄存器读写的复杂度，原来一条存储/加载指令可以完成的工作，现在可能需要增加一些更swap相关的指令，无法保证寄存器操作的原子性了。对于高性能，大并发的系统，可能造成竞态。

因此用最少的指令完成数据swap和r/w寄存器，才能保证Linux系统正常稳定运行。

在移植bootloader中我是将数据进行位移来完成swap，因bootloader单进程，不会存在竞态问题。

在kernel移植时很担心这个问题，但是发现kernel下已经提供了大小端处理器操作寄存器时的通用函数，就是readl/writel（以操作32位寄存器为例）。

对于driver的开发者不需要关心处理器的字节序，寄存器操作直接使用readl/writel即可。

网上有很多文章提到readl/writel，但是没有具体分析其实现。

今天就主要来分析下readl/writel如何实现高效的数据swap和寄存器读写。我们就以readl为例，针对big-endian处理器，如何来对寄存器数据进行处理。

kernel下readl定义如下，在include/asm-generic/io.h

#define readl(addr) __le32_to_cpu(__raw_readl(addr))

__raw_readl是最底层的寄存器读写函数，很简单，就从直接获取寄存器数据。来看__le32_to_cpu的实现，该函数针对字节序有不同的实现，对于小端处理器，在./include/linux/byteorder/little_endian.h中，如下：

#define __le32_to_cpu(x) ((__force __u32)(__le32)(x))

相当于什么都没做。而对于大端处理器，在./include/linux/byteorder/big_endian.h中，如下：

#define __le32_to_cpu(x) __swab32((__force __u32)(__le32)(x))

看字面意思也可以看出，__swab32实现数据翻转。等下我们就来分析__swab32的实现，精髓就在这个函数。

但是这之前先考虑一个问题，对于不同CPU，如arm mips ppc，怎么来选择使用little_endian.h还是big_endian.h的呢。

答案是，针对不同处理器平台，有arch/xxx/include/asm/byteorder.h头文件，来看下arm mips ppc的byteorder.h分别是什么。

arch/arm/include/asm/byteorder.h

 *  arch/arm/include/asm/byteorder.h
 *
 * ARM Endian-ness.  In little endian mode, the data bus is connected such
 * that byte accesses appear as:
 *  0 = d0...d7, 1 = d8...d15, 2 = d16...d23, 3 = d24...d31
 * and word accesses (data or instruction) appear as:
 *  d0...d31
 *
 * When in big endian mode, byte accesses appear as:
 *  0 = d24...d31, 1 = d16...d23, 2 = d8...d15, 3 = d0...d7
 * and word accesses (data or instruction) appear as:
 *  d0...d31
 */
#ifndef __ASM_ARM_BYTEORDER_H
#define __ASM_ARM_BYTEORDER_H

#ifdef __ARMEB__
#include <linux/byteorder/big_endian.h>
#else
#include <linux/byteorder/little_endian.h>
#endif

#endif

arch/mips/include/asm/byteorder.h

/*
 * This file is subject to the terms and conditions of the GNU General Public
 * License.  See the file "COPYING" in the main directory of this archive
 * for more details.
 *
 * Copyright (C) 1996, 99, 2003 by Ralf Baechle
 */
#ifndef _ASM_BYTEORDER_H
#define _ASM_BYTEORDER_H

#if defined(__MIPSEB__)
#include <linux/byteorder/big_endian.h>
#elif defined(__MIPSEL__)
#include <linux/byteorder/little_endian.h>
#else
# error "MIPS, but neither __MIPSEB__, nor __MIPSEL__???"
#endif

#endif /* _ASM_BYTEORDER_H */

arch/powerpc/include/asm/byteorder.h

#ifndef _ASM_POWERPC_BYTEORDER_H
#define _ASM_POWERPC_BYTEORDER_H

/*
 * This program is free software; you can redistribute it and/or
 * modify it under the terms of the GNU General Public License
 * as published by the Free Software Foundation; either version
 * 2 of the License, or (at your option) any later version.
 */
#include <linux/byteorder/big_endian.h>

#endif /* _ASM_POWERPC_BYTEORDER_H */

可以看出arm mips在kernel下大小端都支持，arm mips也的确是可以选择处理器字节序。ppc仅支持big-endian。（其实ppc也是支持选择字节序的）

各个处理器平台的byteorder.h将littlie_endian.h/big_endian.h又包了一层，我们在编写driver时不需要关心处理器的字节序，只需要包含byteorder.h即可。

接下来看下最关键的__swab32函数，如下：

在include/linux/swab.h中

/**
 * __swab32 - return a byteswapped 32-bit value
 * @x: value to byteswap
 */
#define __swab32(x)
    (__builtin_constant_p((__u32)(x)) ?
    ___constant_swab32(x) :
    __fswab32(x))

宏定义展开，是一个条件判断符。

 __builtin_constant_p是一个gcc的内建函数， 用于判断一个值在编译时是否是常数，如果参数是常数，函数返回 1，否则返回 0。
如果数据是常数，则__constant_swab32，实现如下：

#define ___constant_swab32(x) ((__u32)(
    (((__u32)(x) & (__u32)0x000000ffUL) << 24) |
    (((__u32)(x) & (__u32)0x0000ff00UL) <<  8) |
    (((__u32)(x) & (__u32)0x00ff0000UL) >>  8) |
    (((__u32)(x) & (__u32)0xff000000UL) >> 24)))

对于常数数据，采用的是普通的位移然后拼接的方法，对于常数，这样的消耗是有必要的（这是kernel的解释，不是很理解）

如果数据是运行时计算数据，则使用__fswab32，实现如下：

static inline __attribute_const__ __u32 __fswab32(__u32 val)
{
#ifdef __arch_swab32
    return __arch_swab32(val);
#else
    return ___constant_swab32(val);
#endif
}

如果未定义__arch_swab32，则还是采用__constant_swab32方法翻转数据，但是arm mips ppc都定义了各自平台的__arch_swab32，来实现一个针对自己平台的高效的swap，分别定义如下：

arch/arm/include/asm/swab.h

static inline __attribute_const__ __u32 __arch_swab32(__u32 x)
{
    __asm__ ("rev %0, %1" : "=r" (x) : "r" (x));
    return x;
}

arch/mips/include/asm/swab.h

static inline __attribute_const__ __u32 __arch_swab32(__u32 x)
{
    __asm__(
    "   wsbh    %0, %1          
"
    "   rotr    %0, %0, 16      
"
    : "=r" (x)
    : "r" (x));

    return x;
}

arch/powerpc/include/asm/swab.h

static inline __attribute_const__ __u32 __arch_swab32(__u32 value)
{
    __u32 result;

    __asm__("rlwimi %0,%1,24,16,23
	"
        "rlwimi %0,%1,8,8,15
	"
        "rlwimi %0,%1,24,0,7"
        : "=r" (result)
        : "r" (value), "0" (value >> 24));
    return result;
}

可以看出，arm使用1条指令（rev数据翻转指令），mips使用2条指令（wsbh rotr数据交换指令），ppc使用3条指令（rlwimi数据位移指令），来完成了32 bit数据的翻转。这相对于普通的位移拼接的方法要高效的多！

其实从函数名__fswab也可以看出是要实现fast swap的。

我们反过来思考下，kernel针对小端处理器的寄存器读写数据没有做任何处理，而对于大端处理器却做了swap，这也说明了外设寄存器数据排布是小端字节序的。