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

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  1. #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：

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  1. #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：

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  1. #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

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  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

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  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

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  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

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  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：

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  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：

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  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

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  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

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  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

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  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。

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。

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