Linux中的mmap的使用

利用ioremap访问硬件，需要经过两次拷贝

1.明确：不管是在用户空间还是在内核空间，软件一律不能去直接访问设备的物理地址；

2.在内核驱动中如果要访问设备的物理地址，需要利用ioremap将设备的物理地址映射到内核虚拟地址上（动态内存映射区），以后驱动程序访问这个内核虚拟地址就是在间

接得访问设备的物理地址（MMU,TLB,TTW）

3.如果用户要访问硬件设备，不能直接访问，也不能在用户空间访问，只能通过系统调用(open,close,read,write,ioctl)来访问映射好的内核虚拟

地址，通过这种间接的访问来访问硬件设备，但是如果设计到数据的拷贝，还需要借助4个内存拷贝函数！

1.通过以上的分析，发现应用程序通过read,write,ioctl来访问硬件设备，它们都要经过两次的数据拷贝，一次是用户空间和内核空间的数据拷贝，另外一次是内核空间和硬件之
间的数据拷贝，如果设备拷贝的数据量比较小，那么read，write,ioctl的两次数据拷贝的过程对系统的影响几乎可以忽略不计，如果设备的数据量非常大，例如显卡（独立），
LCD屏幕（显存共享主存），摄像头，声卡这类设备涉及的数据量比较庞大，如果还是用read,write,ioctl进行访问设备数据，无形对系统的性能影响非常大。

2.用户访问设备，最终其实涉及的用户和硬件，而read,write,ioctl本身会牵扯到内核，所以这些函数涉及2次的数据拷贝，用户要直接去访问硬件设备，只需要将硬件
设备的物理地址信息映射到用户的虚拟地址空间即可，一旦完毕，不会在牵扯到内核空间，以后用户直接访问用户的虚拟地址就是在访问设备硬件，由2次的数据拷贝的

转换为一次的数据拷贝。

目的：将硬件物理地址映射到用户虚拟地址空间，由2次数据拷贝变成1次数据拷贝！

用户空间3G虚拟内存区域的划分：
高地址开始：
栈区          ↓
MMAP内存映射区（相当于内核中的动态内存映射区）   ↓


堆区      ↑
BSS段区
DATA段区
TEXT段区 

在内核中如何描述一个进程：
内核中，无论描述进程还是线程都用task_struct  描述。在Linux系统里面，是没有线程这个概念的，    Linux的线程是模仿windows的，windows的进程和线程    
有本质上的区别，Linux下没有区别，仅限的区别在于访问的地址空间不一样。mm_struct描述每个进程的3G用户空间

MMAP内存映射区作用：
让用户程序直接访问设备内存，在要求高性能的应用当中比较常用。应用程序使用的动态库映射到这个区域；
应用程序调用mmap，将设备物理地址和这个区域的虚拟内存进行映射；
mmap映射内存必须是页面大小的整数倍（也就是字节/4K）

结论：linux系统通过mmap来实现将物理地址映射到用户3G的MMAP内存映射区上的虚拟内存上！


mmap系统调用的过程：
void *addr;
addr = mmap(0,0x1000, PROT_READ|PROT_WRITE,
MAP_SHARED, fd, 0);
参数1：如果是0,内核帮找一块内存区域，起始地址是返回值addr
参数2:虚拟内存的大小，0x1000一页（如果申请的内存空间没有对齐，内核会帮我们对齐，会经过一次if/else判断，浪费开销）
参数3：权限
参数4：权限
参数5：fd，将该文件映射到该区域
参数6：映射的偏移量


1.应用程序调用mmap首先调用C库的mmap
2.C库的mmap保存mmap的系统调用号到R7中，然后调用svc触发软中断异常(陷入内核空间)
3.内核启动时，已经初始化好了异常向量表，触发软中断，跳转到软中断的异常向量表的入口地址vector_swi.
4.根据R7保存的系统调用号，以它索引，在内核的系统调用表找到对应的函数sys_mmap,然后调用内核实现的sys_mmap
5.sys_mmap内核会做两件事：
   1.首先在当前进程的MMAP内存映射区中找一块空闲的虚拟内存区域；
   2.一旦找到以后，利用struct   vm_area_strcut结构创建一个对象来描述这块空闲的虚拟内存区域；
6.sys_mmap最终调用底层驱动的mmap，然后将描述空闲虚拟内存区域的对象指针传递给底层驱动的mmap函数使用；
7.底层驱动的mmap根据传递过来的虚拟内存区域的信息获取用户要映射的虚拟地址，再根据某些函数建立用户虚拟地址和物理地址的映射关系
8.一旦建立映射，mmap函数返回，返回值保存着这块空闲内存区域的起始地址，以后用户在用户空间就可以为所欲为了！

内核利用struct vm_area_strcut描述找的虚拟内存区域
struct vm_area_struct {
struct mm_struct *vm_mm ;
unsigned long vm_start;//空闲虚拟内存的起始地址
unsigned long vm_end;//结束地址
pgprot_t vm_page_prot; //访问权限
unsigned long vm_flags; //虚拟内存区域标志
unsigned long vm_pgoff;//偏移量
};

struct file_operations ：
int (*mmap)(struct file *filp,
struct vm_area_struct *vma) ;


vma:内核帮忙找的空闲的内存区域，描述内存区域的信息


9.驱动mmap利用一下函数建立映射（用户虚拟地址和物理地


址）
int remap_pfn_range(struct vm_area_struct*vma,
unsigned long addr,
  unsigned long pfn,


unsigned size,pgprot_t prot);
vma: 用户虚拟内存区域指针 
addr: 用户虚拟内存起始地址->vma->vm_start
pfn: 要映射的物理地址所在页帧号，可以通过物理地址>>12得到
size: 待映射的内存区域的大小
prot: vma的保护属性vma->vm_page_prot
功能：建立已知的用户虚拟内存和已知的物理地址之间的映射关系；
注意：利用这个函数进行地址映射的时候，不管是物理地址还是用户虚拟地址都要求是页的整数倍！
1页=4K=0x1000
0xe0200080这个GPIO寄存器地址不是页的整数倍！
通过芯片手册可知GPIO使用的地址空间范围：
0xE0200000 ~ 0xE02FFFFF
映射时指定的物理地址应该是：0xE0200000(页的整数倍)
访问0xe0200080:用户虚拟地址 + 0x80
访问0xe0200084:用户虚拟地址+ 0x84


注意：一个物理地址同时可以映射到内核的虚拟地址上，还可以映射到用户的虚拟地址上！

mmap自己理解：首先在用户空间通过mmap将物理内存地址映射到用户虚拟地址addr，addr是一个返回的虚拟地址，可以通过这个虚拟地址去控制硬件。在底层驱动方面，需要配置mmap参数，运用remap_pfn_renge函数将设备的物理内存与mmap的虚拟内存相连接，至此就可以在用户空间控制硬件。在映射地址时，物理地址应该是：0xE0200000(页的整数倍)
访问0xe0200080:用户虚拟地址 + 0x80
访问0xe0200084:用户虚拟地址+ 0x84
    一个物理地址同时可以映射到内核的虚拟地址上，还可以映射到用户的虚拟地址上！


当访问的文件比较小时，可以用read、write，
        文件比较大时，用mmap