mmap方法实现物理内存到用户虚拟地址的映射

内核空间内存管理：

物理内存被划分成struct page来进行管理。然后把所有page划分成不同的struct zone，Linux中使用了三种zone：

1. ZONE_DMA;

2. ZONE_NORMAL;

3. ZONE_HIGHMEM;

内核中获取内核虚拟内存有三种途径：

1. 获取页：

如果你需要用到struct page，则：

struct page *alloc_pages(gfp_mask, order);

struct page *alloc_page(gfp_mask);

void *page_address(struct page *page)；

第一个页的内核虚拟地址 = page_address(alloc_page(GFP_KERNEL, 3))；--分配8个页

第一个页的内核虚拟地址 = page_address(alloc_page(GFP_KERNEL))；--分配一个页

如果用不到struct page，则：

unsigned long __get_free_pages(gfp_mask, order);

unsigned long __get_free_page(gfp_mask);

2. kmalloc：

分配以字节为单位的一块内核内存，且分配的内存物理上连续。返回内核虚拟地址。

3. vmalloc：

分配以字节为单位的一块内核内存，但分配的内存物理上不连续。返回内核虚拟地址。

4 slab分配器

其实就是kmalloc() 分配连续的内核虚拟地址，用于小内存分配。

__get_free_page() 分配连续的内核虚拟地址，用于整页分配。

前者基于slab，两者最终都使用__alloc_page()来返回物理页的page结构。其实他们都是在“物理内存映射区”进行内存分配，其内核虚拟地址与物理地址仅相差一个常量。

这种内核虚拟地址和vmalloc分配(经过页表映射)的内核虚拟地址不一样，也称为逻辑地址。他们与物理地址之间的转换也很简单：

/include/asm/memory.h（page.h中包含了memory.h）

#define __pa(x)            __virt_to_phys((unsigned long)(x))
   #define __va(x)            ((void *)__phys_to_virt((unsigned long)(x)))

static inline unsigned long virt_to_phys(void *x){
          return __virt_to_phys((unsigned long)(x));
    }
   static inline void *phys_to_virt(unsigned long x){
          return (void *)(__phys_to_virt((unsigned long)(x)));
   }

#define __virt_to_phys(x)    ((x) - PAGE_OFFSET + PHYS_OFFSET)
   #define __phys_to_virt(x)    ((x) - PHYS_OFFSET + PAGE_OFFSET)

都是通过__virt_to_phys()和__phys_to_virt()两个宏的简单实现。

另外还有：

#define page_to_pfn(page)
   #define pfn_to_page(pfn)

#define virt_to_page(kaddr) 等其他一些地址转换函数。

 

用户空间直接访问设备内存：

内存映射mmap()可以提供给 用户程序 直接访问 设备内存 的能力。

映射一个设备就是通过建立页表，将用户空间的一段虚拟内存空间和设备内存关联起来。但是并不是所有设备都能够进行mmap映射。比如串口和其他面向流的设备就不行，并且mmap还有一个限制：必须以PAGE_SIZE为单位进行映射。

mmap方法是file_operations结构的一部分，用户空间系统调用原型为：

mmap (cadaar_t addr, size_t len, int prot, int flags, int fd, off_t offset)

但是文件操作声明如下：

int (*mmap) (struct file *filp, struct vm_area_struct *vma)

注：vm_area_struct 是描述进程地址空间的基本管理单元。vma中就需要包含用于访问设备虚拟地址的信息，因此大量工作是在内核中完成的。

实现mmap主要就是为用户虚拟地址建立到物理地址的页表，并将vma->vm_ops替换为一系列的新操作就可以了。

两种建立页表的方法：

1. 一次全部建立：

int remap_pfn_range(struct vm_area_struct *vma, unsigned long virt_addr, unsigned long pfn, unsigned long size, pgprot_t prot);

int io_remap_page_range(struct vm_area_struct *vma, unsigned long virt_addr, unsigned long phys_addr, unsigned long size, pgprot_t prot);

这两个函数的功能是负责为一段物理地址创建新的页表。前者在pfn指向实际系统的RAM的时候使用，后者在phys_addr指向IO内存的时候使用。

(1) remao_pfn_range限制：只能访问保留页/超出物理内存的物理页。

因此这个函数不允许重映射常规地址。因为常规地址受内存管理单元的管理，可能会出现被换出内存等不安全现象。remap_pfn_range也无法处理RAM：基于内存的设备无法简单地实现mmap，因为其设备内存是通用的RAM，而不是IO内存。但是对于任何需要将RAM映射到用户空间的驱动程序来说可以通过nopage来达到目的。

(2) 但是这个函数可以映射设备IO内存(包括高端PCI缓冲区和ISA内存等)/ 内存中的保留页，如x86系统中的64k-1M的范围，如果想把kmalloc等申请的常规地址映射到用户空间，使用mem_map_reserve()把相应的内存设置为保留即可。不过对于常规内存还是建议使用nopage。

(3) 访问常规内存具体方法如下：
    一般情况是你的驱动分配一块内存，然后在驱动的mmap中使用这块内存的物理地址转成页帧号, 再调用remap_pfn_range。
(1) kmalloc()，get_free_pages()等分配的页面，需要先设备为保留页，然后用virt_to_phys()函数只是得到其物理地址，然后 >> PAGE_SHIFT转换为页帧号。
(2) 通过vmalloc分配的，同上，不同的是要用vmalloc_to_pfn。
(3) 用kmalloc,get_free_pages，vmalloc分配的物理内存页面最好还是不要用remap_pfn_page方法，建议使用VMA的nopage方法。

(4) 对于这样设备内存，最好对vma调用pgprot_nocached(vma->vm_page_prot)后传给remap_pfn_range，防止处理器缓存。

   （a）io_remap_page_range()和remap_page_range(或remap_pfn_range)有什么区别？

    都是为物理地址建立页表，前者针对IO资源，后者针对RAM。

(b) ioremap与io_remap_page_rage:

前者是将“IO内存资源”映射到内核虚拟地址空间；而后者是将”IO内存资源“映射到用户空间。

remap_pfn_range参数介绍：

参数vma是内核根据用户的请求自己填写的；

参数addr表示内存映射开始处的虚拟地址，因此，该函数为addr~addr+size之间的虚拟地址构造页表。

参数pfn（Page Fram Number）是虚拟地址应该映射到的物理地址的页面号，实际上就是物理地址右移PAGE_SHIFT位。如果PAGE_SHIFT为4kb，则PAGE_SHIFT为12，因为PAGE_SHIFT等于1<。

参数prot是新页所要求的保护属性。

 

2 每次建立一页：

struct page *(*nopage)(struct vm_area_struct *vma, unsigned long address, int *type);

(1)  当应用程序要改变一个映射去绑定的地址时，会使用mremap系统调用，这个时候是使用nopage映射的最好时机；

(2)  nopage实现对ISA内存区域工作正常，但是不能在PCI总线上面工作。因为PCI内存被映射到系统最高端内存之上，内存映射中没有这些地址的入口，从而无法返回一个指向page结构的指针。这种情况只能使用io_remap_page_range。

    (3) 将实际的RAM映射到用户空间的方法是：使用vm_ops->nopage一次处理一个页错误。

    (4) 参数介绍：

     参数address是引起缺页错误(没有为该虚拟地址建立到物理地址的映射)的虚拟地址；

    参数type是用于保存此次映射到错误类型，VM_FAULT_MINOR表示无错误；

 
 
注：其中 p = vmalloc(mem_size);对于kmalloc分配的内核虚拟地址类似。

 

总结：总之在驱动程序中最常规的用法是：使用remap_pfn_range函数映射内存中的保留页（如X86系统中的640KB~1MB区域）和设备IO内存。而使用nopage函数来映射RAM。