linux kernel如何處理大端小端字節序

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

最近在作將kernel由小端處理器（arm）向大端處理器（ppc）的移植的工做，如今kernel進入console穩定工做，基本工做已經完成，不過移植中有不少心得仍是須要總結下，今天先將kernel對於大小端字節序的處理來總結下。

 

以前寫過大小端字節序的思考，文章連接地址：http://blog.csdn.NET/skyflying2012/article/details/42065427。

根據以前的理解，字節序能夠認爲是處理器主觀的概念，就像人如何去看待事物同樣，處理器分大端和小端，對於內存的讀寫，只要保證數據類型一致，就不存在字節序的問題。

所以我感受，字節序不一樣形成的最大差別在於對於寄存器的讀寫。由於外設寄存器都是小端的（根據kernel代碼得出結論，下面還會在詳細解釋）

根據我以前字節序思考的文章，對於寄存器讀寫差別，有2種方案：

（1）從硬件上解決這個問題，對於32位cpu，將32根數據總線反接，可是這樣對於尋址小於32位數據可能有問題，而且不能全部模塊都反接（如內存），這還涉及到編譯器的問題。

（2）從軟件上解決這個問題，在底層讀寫寄存器函數中，將讀/寫的數據進行swap。

做爲軟件人員，我最關心第二種方案是否可行，由於在讀寫寄存器時對數據進行swap，增長了寄存器讀寫的複雜度，原來一條存儲/加載指令能夠完成的工做，如今可能須要增長一些更swap相關的指令，沒法保證寄存器操做的原子性了。對於高性能，大併發的系統，可能形成競態。

所以用最少的指令完成數據swap和r/w寄存器，才能保證Linux系統正常穩定運行。

在移植bootloader中我是將數據進行位移來完成swap，因bootloader單進程，不會存在競態問題。

 

在kernel移植時很擔憂這個問題，可是發現kernel下已經提供了大小端處理器操做寄存器時的通用函數，就是readl/writel（以操做32位寄存器爲例）。

對於driver的開發者不須要關心處理器的字節序，寄存器操做直接使用readl/writel便可。

網上有不少文章提到readl/writel，可是沒有具體分析其實現。

今天就主要來分析下readl/writel如何實現高效的數據swap和寄存器讀寫。咱們就以readl爲例，針對big-endian處理器，如何來對寄存器數據進行處理。

kernel下readl定義以下，在include/asm-generic/io.h

 

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

__raw_readl是最底層的寄存器讀寫函數，很簡單，就從直接獲取寄存器數據。來看__le32_to_cpu的實現，該函數針對字節序有不一樣的實現，對於小端處理器，在./include/linux/byteorder/little_endian.h中，以下：

 

 

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

至關於什麼都沒作。而對於大端處理器，在./include/linux/byteorder/big_endian.h中，以下：

 

 

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

看字面意思也能夠看出，__swab32實現數據翻轉。等下咱們就來分析__swab32的實現，精髓就在這個函數。

 

可是這以前先考慮一個問題，對於不一樣CPU，如arm mips ppc，怎麼來選擇使用little_endian.h仍是big_endian.h的呢。

答案是，針對不一樣處理器平臺，有arch/xxx/include/asm/byteorder.h頭文件，來看下arm mips ppc的byteorder.h分別是什麼。

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 */

能夠看出arm mips在kernel下大小端都支持，arm mips也的確是能夠選擇處理器字節序。ppc僅支持big-endian。（其實ppc也是支持選擇字節序的）

 

各個處理器平臺的byteorder.h將littlie_endian.h/big_endian.h又包了一層，咱們在編寫driver時不須要關心處理器的字節序，只須要包含byteorder.h便可。

接下來看下最關鍵的__swab32函數，以下：

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))

宏定義展開，是一個條件判斷符。

 

 __builtin_constant_p是一個gcc的內建函數， 用於判斷一個值在編譯時是不是常數，若是參數是常數，函數返回 1，不然返回 0。
若是數據是常數，則__constant_swab32，實現以下：

 

#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)))

對於常數數據，採用的是普通的位移而後拼接的方法，對於常數，這樣的消耗是有必要的（這是kernel的解釋，不是很理解）

 

若是數據是運行時計算數據，則使用__fswab32，實現以下：

 

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

若是未定義__arch_swab32，則仍是採用__constant_swab32方法翻轉數據，可是arm mips ppc都定義了各自平臺的__arch_swab32，來實現一個針對本身平臺的高效的swap，分別定義以下：

 

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          \n"
    "   rotr    %0, %0, 16      \n"
    : "=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\n\t"
        "rlwimi %0,%1,8,8,15\n\t"
        "rlwimi %0,%1,24,0,7"
        : "=r" (result)
        : "r" (value), "0" (value >> 24));
    return result;
}

能夠看出，arm使用1條指令（rev數據翻轉指令），mips使用2條指令（wsbh rotr數據交換指令），ppc使用3條指令（rlwimi數據位移指令），來完成了32 bit數據的翻轉。這相對於普通的位移拼接的方法要高效的多！

 

其實從函數名__fswab也能夠看出是要實現fast swap的。

咱們反過來思考下，kernel針對小端處理器的寄存器讀寫數據沒有作任何處理，而對於大端處理器卻作了swap，這也說明了外設寄存器數據排布是小端字節序的。