linux kernel 如何处理大小端

时间：2023-12-05 09:46:14

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. #ifdef __ARMEB__
  17. #include <linux/byteorder/big_endian.h>
  18. #else
  19. #include <linux/byteorder/little_endian.h>
  20. #endif
  21. #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. #if defined(__MIPSEB__)
  11. #include <linux/byteorder/big_endian.h>
  12. #elif defined(__MIPSEL__)
  13. #include <linux/byteorder/little_endian.h>
  14. #else
  15. # error "MIPS, but neither __MIPSEB__, nor __MIPSEL__???"
  16. #endif
  17. #endif /* _ASM_BYTEORDER_H */

arch/powerpc/include/asm/byteorder.h

  1. #ifndef _ASM_POWERPC_BYTEORDER_H
  2. #define _ASM_POWERPC_BYTEORDER_H
  3. /*
  4. * This program is free software; you can redistribute it and/or
  5. * modify it under the terms of the GNU General Public License
  6. * as published by the Free Software Foundation; either version
  7. * 2 of the License, or (at your option) any later version.
  8. */
  9. #include <linux/byteorder/big_endian.h>
  10. #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          \n"
  5. "   rotr    %0, %0, 16      \n"
  6. : "=r" (x)
  7. : "r" (x));
  8. return x;
  9. }

arch/powerpc/include/asm/swab.h

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

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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