linux kernel如何处理大端小端字节序
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
/* * 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 */
#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）
有了byteorder.h，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;
}
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;
}
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。
郑重声明：本站内容如果来自互联网及其他传播媒体，其版权均属原媒体及文章作者所有。转载目的在于传递更多信息及用于网络分享，并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。
