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  • linux kernel 如何处理大小端

    暂时在用MPC8309,不太清楚大小端内核是什么时候给转的。

    今天看了关于readl和writel具体实现的文章

    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 readw(addr) __le32_to_cpu(__raw_readw(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

    1.  *  arch/arm/include/asm/byteorder.h  
    2.  *  
    3.  * ARM Endian-ness.  In little endian mode, the data bus is connected such  
    4.  * that byte accesses appear as:  
    5.  *  0 = d0...d7, 1 = d8...d15, 2 = d16...d23, 3 = d24...d31  
    6.  * and word accesses (data or instruction) appear as:  
    7.  *  d0...d31  
    8.  *  
    9.  * When in big endian mode, byte accesses appear as:  
    10.  *  0 = d24...d31, 1 = d16...d23, 2 = d8...d15, 3 = d0...d7  
    11.  * and word accesses (data or instruction) appear as:  
    12.  *  d0...d31  
    13.  */  
    14. #ifndef __ASM_ARM_BYTEORDER_H  
    15. #define __ASM_ARM_BYTEORDER_H  
    16.   
    17. #ifdef __ARMEB__  
    18. #include <linux/byteorder/big_endian.h>  
    19. #else  
    20. #include <linux/byteorder/little_endian.h>  
    21. #endif  
    22.   
    23. #endif  

    arch/mips/include/asm/byteorder.h

     
    1. /*  
    2.  * This file is subject to the terms and conditions of the GNU General Public  
    3.  * License.  See the file "COPYING" in the main directory of this archive  
    4.  * for more details.  
    5.  *  
    6.  * Copyright (C) 1996, 99, 2003 by Ralf Baechle  
    7.  */  
    8. #ifndef _ASM_BYTEORDER_H  
    9. #define _ASM_BYTEORDER_H  
    10.   
    11. #if defined(__MIPSEB__)  
    12. #include <linux/byteorder/big_endian.h>  
    13. #elif defined(__MIPSEL__)  
    14. #include <linux/byteorder/little_endian.h>  
    15. #else  
    16. # error "MIPS, but neither __MIPSEB__, nor __MIPSEL__???"  
    17. #endif  
    18.   
    19. #endif /* _ASM_BYTEORDER_H */  

    arch/powerpc/include/asm/byteorder.h

     
    1. #ifndef _ASM_POWERPC_BYTEORDER_H  
    2. #define _ASM_POWERPC_BYTEORDER_H  
    3.   
    4. /*  
    5.  * This program is free software; you can redistribute it and/or  
    6.  * modify it under the terms of the GNU General Public License  
    7.  * as published by the Free Software Foundation; either version  
    8.  * 2 of the License, or (at your option) any later version.  
    9.  */  
    10. #include <linux/byteorder/big_endian.h>  
    11.   
    12. #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

     
    1. /**  
    2.  * __swab32 - return a byteswapped 32-bit value  
    3.  * @x: value to byteswap  
    4.  */  
    5. #define __swab32(x)               
    6.     (__builtin_constant_p((__u32)(x)) ?   
    7.     ___constant_swab32(x) :           
    8.     __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：

     
    1. #define ___constant_swab32(x) ((__u32)(               
    2.     (((__u32)(x) & (__u32)0x000000ffUL) << 24) |          
    3.     (((__u32)(x) & (__u32)0x0000ff00UL) <<  8) |          
    4.     (((__u32)(x) & (__u32)0x00ff0000UL) >>  8) |          
    5.     (((__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：

     
    1. static inline __attribute_const__ __u32 __fswab32(__u32 val)  
    2. {  
    3. #ifdef __arch_swab32  
    4.     return __arch_swab32(val);  
    5. #else  
    6.     return ___constant_swab32(val);  
    7. #endif  
    8. }  

    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

     
    1. static inline __attribute_const__ __u32 __arch_swab32(__u32 x)  
    2. {  
    3.     __asm__ ("rev %0, %1" : "=r" (x) : "r" (x));  
    4.     return x;  
    5. }  

    arch/mips/include/asm/swab.h

     
    1. static inline __attribute_const__ __u32 __arch_swab32(__u32 x)  
    2. {  
    3.     __asm__(  
    4.     "   wsbh    %0, %1           "  
    5.     "   rotr    %0, %0, 16       "  
    6.     : "=r" (x)  
    7.     : "r" (x));  
    8.   
    9.     return x;  
    10. }  


    arch/powerpc/include/asm/swab.h

     
    1. static inline __attribute_const__ __u32 __arch_swab32(__u32 value)  
    2. {  
    3.     __u32 result;  
    4.   
    5.     __asm__("rlwimi %0,%1,24,16,23 "  
    6.         "rlwimi %0,%1,8,8,15 "  
    7.         "rlwimi %0,%1,24,0,7"  
    8.         : "=r" (result)  
    9.         : "r" (value), "0" (value >> 24));  
    10.     return result;  
    11. }  

    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。
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