Linux驱动开发基础__mmap

目录

1 引入

 2  内存映射现象与数据结构 

3  ARM 架构内存映射简介

3.1   一级页表映射过程

3.2 二级页表映射过程

4  怎么给 APP 新建一块内存映射

4.1  mmap 调用过程 

​编辑4.2   cache 和 buffer 

4.3  驱动程序要做的事

 5 编程

5.1 app编程

5.2 hello_drv_test.c

5.3 驱动编程

5.3.1 分配一块 8K 的内存 

5.3.2  提供 mmap 函数

5.4 hello_drv.c

---

1 引入

应用程序和驱动程序之间传递数据时，可以通过 read、write 函数进行。这涉及在用户态 buffer 和内核态 buffer 之间传数据，如下图所示：

 应用程序不能直接读写驱动程序中的 buffer，需要在用户态 buffer 和内核态 buffer 之间进行一次数据拷贝。这种方式在数据量比较小时没什么问题；但是数据量比较大时效率就太低了。比如更新 LCD 显示时，如果每次都让 APP 传递一帧数据给内核，假设 LCD 采用 1024*600*32bpp 的格式，一帧数据就有1024*600*32/8=2.3MB 左右，这无法忍受。 
改进的方法就是让程序可以直接读写驱动程序中的 buffer，这可以通过mmap 实现(memory map)，把内核的 buffer 映射到用户态，让 APP 在用户态直接读写。 

 2  内存映射现象与数据结构 

假设有这样的程序，名为 test.c： 

#include  
#include  
#include  
  
int a; 
int main(int argc, char **argv) 
{ 
  if (argc != 2) 
  { 
    printf("Usage: %s \n", argv[0]); 
    return -1; 
  } 
  a = strtol(argv[1], NULL, 0); 
  printf("a's address = 0x%lx, a's value = %d\n", &a, a); 
  while (1) 
  { 
    sleep(10); 
  } 
  return 0; 
} 

在 PC 上如下编译(必须静态编译)：

gcc  -o  test  test.c  -staitc 

分别执行 test 程序 2 次，最后执行 ps，可以看到这 2 个程序同时存在，这 2 个程序里 a 变量的地址相同，但是值不同。如下图：

观察到这些现象： 

• 2 个程序同时运行，它们的变量 a 的地址都是一样的：0x6bc3a0； 
• 2 个程序同时运行，它们的变量 a 的值是不一样的，一个是 12，另一个是 123。 

疑问来了： 

• 这 2 个程序同时在内存中运行，它们的值不一样，所以变量 a 的地址肯定不同； 
• 但是打印出来的变量 a 的地址却是一样的。

怎么回事？ 这里要引入虚拟地址的概念： CPU 发出的地址是虚拟地址，它经过MMU(Memory Manage Unit，内存管理单元)映射到物理地址上，对于不同进程的同一个虚拟地址，MMU 会把它们映射到不同的物理地址。如下图：

• 当前运行的是 app1 时，MMU 会把 CPU 发出的虚拟地址 addr 映射为物理地址paddr1，用paddr1 去访问内存。 
• 当前运行的是 app2 时，MMU 会把 CPU 发出的虚拟地址 addr 映射为物理地址paddr2，用paddr2 去访问内存。 
• MMU 负责把虚拟地址映射为物理地址，虚拟地址映射到哪个物理地址去？  

可以执行 ps 命令查看进程 ID，然后执行“cat /proc/325/maps”得到映射关系。 

每一个 APP 在内核里都有一个 tast_struct，这个结构体中保存有内存信息：mm_struct。而虚拟地址、物理地址的映射关系保存在页目录表中，如下图所示： 

 解析如下： 

•  每个 APP 在内核中都有一个 task_struct 结构体，它用来描述一个进程； 
• 每个 APP 都要占据内存，在 task_struct 中用 mm_struct 来管理进程占用的内存； 内存有虚拟地址、物理地址，mm_struct 中用 mmap 来描述虚拟地址，用 pgd(Page Global Directory，页目录) 来描述对应的物理地址。 
• 每个 APP 都有一系列的 VMA：virtual memory : 比如 APP 含有代码段、数据段、BSS 段、栈等等，还有共享库。这些单元会保存在内存里，它们的地址空间不同，权限不同(代码段是只读、的可运行的、数据段可读可写)，内核用一系列的 vm_area_struct 来描述它们。 vm_area_struct 中的 vm_start、vm_end 是虚拟地址。 
• vm_area_struct 中虚拟地址如何映射到物理地址去？ 每一个 APP 的虚拟地址可能相同，物理地址不相同，这些对应关系保存在 pgd 中。

3  ARM 架构内存映射简介

ARM 架构支持一级页表映射，也就是说 MMU 根据 CPU 发来的虚拟地址可以找到第 1 个页表，从第 1 个页表里就可以知道这个虚拟地址对应的物理地址。一级页表里地址映射的最小单位是 1M。 

ARM 架构还支持二级页表映射，也就是说 MMU 根据 CPU 发来的虚拟地址先找到第 1 个页表，从第 1 个页表里就可以知道第 2 级页表在哪里；再取出第 2 级页表，从第 2 个页表里才能确定这个虚拟地址对应的物理地址。二级页表地址映射的最小单位有 4K、1K，Linux 使用 4K。

一级页表项里的内容，决定了它是指向一块物理内存，还是指问二级页表，如下图：

3.1   一级页表映射过程

 一线页表中每一个表项用来设置 1M 的空间，对于 32 位的系统，虚拟地址空间有 4G，4G/1M=4096。所以一级页表要映射整个 4G 空间的话，需要 4096 个页表项。

第 0 个页表项用来表示虚拟地址第 0 个 1M(虚拟地址为 0～0xFFFFF)对应哪一块物理内存，并且有一些权限设置； 
第 1 个页表项用来表示虚拟地址第 1 个 1M(虚拟地址为 0x100000～0x1FFFFF)对应哪一块物理内存，并且有一些权限设置； 

依次类推。 
使用一级页表时，先在内存里设置好各个页表项，然后把页表基地址告诉 MMU，就可以启动 MMU 了。

以下图为例介绍地址映射过程： 

• CPU 发出虚拟地址 vaddr，假设为 0x12345678 
• MMU 根据 vaddr[31:20]找到一级页表项： 虚拟地址 0x12345678 是虚拟地址空间里第 0x123 个 1M，所以找到页表里第 0x123 项，根据此项内容知道它是一个段页表项。 段内偏移是 0x45678。 
• 从这个表项里取出物理基地址：Section Base Address，假设是0x81000000 
• 物理基地址加上段内偏移得到：0x81045678 

所以 CPU 要访问虚拟地址 0x12345678 时，实际上访问的是 0x81045678 的
物理地址。 

3.2 二级页表映射过程

首先设置好一级页表、二级页表，并且把一级页表的首地址告诉 MMU。 
以下图为例介绍地址映射过程： 

•  CPU 发出虚拟地址 vaddr，假设为 0x12345678 
• MMU 根据 vaddr[31:20]找到一级页表项： 虚拟地址 0x12345678 是虚拟地址空间里第 0x123 个 1M，所以找到页表里第 0x123 项。根据此项内容知道它是一个二级页表项。 
• 从这个表项里取出地址，假设是 address，这表示的是二级页表项的物理地址； 
• vaddr[19:12]表示的是二级页表项中的索引 index 即 0x45，在二级页表项中找到第 0x45 项； 

二级页表项格式如下：

 里面含有这 4K 或 1K 物理空间的基地址 page  base  addr，假设是0x81889000： 
它 跟 vaddr[11:0] 组 合 得 到 物 理 地 址 ： 0x81889000  +  0x678  = 0x81889678。 
所以 CPU 要访问虚拟地址 0x12345678 时，实际上访问的是 0x81889678 的物理地址 

4  怎么给 APP 新建一块内存映射

4.1  mmap 调用过程 

从上面内存映射的过程可以知道，要给 APP 新开劈一块虚拟内存，并且让它指向某块内核 buffer，我们要做这些事：

• 得到一个 vm_area_struct，它表示 APP 的一块虚拟内存空间； 很 幸 运 ， APP 调 用 mmap 系 统 函 数 时 ， 内 核 就 帮 我 们 构 造 了 一 个vm_area_stuct 结构体。里面含有虚拟地址的地址范围、权限。 
• 确定物理地址： 你想映射某个内核 buffer，你需要得到它的物理地址，这得由你提供。 
• 给 vm_area_struct 和物理地址建立映射关系： 也很幸运，内核提供有相关函数。 

APP 里调用 mmap 时，导致的内核相关函数调用过程如下：

4.2   cache 和 buffer 

使用 mmap 时，需要有 cache、buffer 的知识。下图是 CPU 和内存之间的关系，有 cache、buffer(写缓冲器)。Cache 是一块高速内存；写缓冲器相当于一个 FIFO，可以把多个写操作集合起来一次写入内存。

程序运行时有“局部性原理”，这又分为时间局部性、空间局部性。 

•  时间局部性： 在某个时间点访问了存储器的特定位置，很可能在一小段时间里，会反复地访问这个位置。
• 空间局部性： 访问了存储器的特定位置，很可能在不久的将来访问它附近的位置。

而 CPU 的速度非常快，内存的速度相对来说很慢。CPU 要读写比较慢的内存时，怎样可以加快速度？根据“局部性原理”，可以引入 cache。 

读取内存 addr 处的数据时：

• 先看看 cache 中有没有 addr 的数据，如果有就直接从 cache 里返回数据：这被称为 cache 命中。 
• 如果 cache 中没有 addr 的数据，则从内存里把数据读入，注意：它不是仅仅读入一个数据，而是读入一行数据(cache line)。 
• 而 CPU 很可能会再次用到这个 addr 的数据，或是会用到它附近的数据，这时就可以快速地从 cache 中获得数据。 

写数据：

 CPU 要写数据时，可以直接写内存，这很慢；也可以先把数据写入 cache，这很快。 但是 cache 中的数据终究是要写入内存的啊，这有 2 种写策略： 

a)  写通(write through)： 

• 数据要同时写入 cache 和内存，所以 cache 和内存中的数据保持一致，但是它的效率很低。能改进吗？可以！使用“写缓冲器”：cache 大哥，你把数据给我就可以了，我来慢慢写，保证帮你写完。 
• 有些写缓冲器有“写合并”的功能，比如 CPU 执行了 4 条写指令：写第 0、1、2、3 个字节，每次写 1 字节；写缓冲器会把这 4 个写操作合并成一个写操作：写 word。对于内存来说，这没什么差别，但是对于硬件寄存器，这就有可能导致问题。 
• 所以对于寄存器操作，不会启动 buffer 功能；对于内存操作，比如 LCD 的显存，可以启用 buffer 功能。 

b)  写回(write back)：

• 新数据只是写入 cache，不会立刻写入内存，cache 和内存中的数据并不一致。 
• 新数据写入 cache 时，这一行 cache 被标为“脏”(dirty)；当cache 不够用时，才需要把脏的数据写入内存。 

使用写回功能，可以大幅提高效率。但是要注意 cache 和内存中的数据很可能不一致。这在很多时间要小心处理：比如 CPU 产生了新数据，DMA 把数据从内存搬到网卡，这时候就要 CPU 执行命令先把新数据从 cache 刷到内存。反过来也是一样的，DMA 从网卡得过了新数据存在内存里，CPU 读数据之前先把 cache中的数据丢弃。

是否使用 cache、是否使用 buffer，就有 4 种组合(Linux 内核文件arch\arm\include\asm\pgtable-2level.h)：

上面 4 种组合对应下表中的各项，一一对应(下表来自 s3c2410 芯片手册，高架构的 cache、buffer 更复杂，但是这些基础知识没变)：

•  第 1 种是不使用 cache 也不使用 buffer，读写时都直达硬件，这适合寄存器的读写。 
• 第 2 种是不使用 cache 但是使用 buffer，写数据时会用 buffer 进行优化，可能会有“写合并”，这适合显存的操作。因为对显存很少有读操作，基本都是写操作，而写操作即使被“合并”也没有关系。 
• 第 3 种是使用 cache 不使用 buffer，就是“write through”，适用于只读设备：在读数据时用 cache 加速，基本不需要写。 
• 第 4 种是既使用 cache 又使用 buffer，适合一般的内存读写。  

4.3  驱动程序要做的事

驱动程序要做的事情有 3 点： 

• 确定物理地址 
• 确定属性：是否使用 cache、buffer 
• 建立映射关系 

参考 Linux 源文件，示例代码如下： 

 还有一个更简单的函数：

 5 编程

5.1 app编程

APP 怎么写？open 驱动、buf=mmap(……)映射内存，直接读写 buf 就可以了，代码如下：

22      /* 1. 打开文件 */ 
23      fd = open("/dev/hello", O_RDWR); 
24      if (fd == -1) 
25      { 
26              printf("can not open file /dev/hello\n"); 
27              return -1; 
28      } 
29 
30      /* 2. mmap 
31       * MAP_SHARED  : 多个 APP 都调用 mmap 映射同一块内存时, 对内存的修改大家都可以看到。 
32       *               就是说多个 APP、驱动程序实际上访问的都是同一块内存 
33       * MAP_PRIVATE : 创建一个 copy on write 的私有映射。 
34       *               当 APP 对该内存进行修改时，其他程序是看不到这些修改的。 
35       *               就是当 APP 写内存时, 内核会先创建一个拷贝给这个 APP, 
36       *               这个拷贝是这个 APP 私有的, 其他 APP、驱动无法访问。 
37       */ 
38      buf =  mmap(NULL, 1024*8, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); 
39      if (buf == MAP_FAILED) 
40      { 
41              printf("can not mmap file /dev/hello\n"); 
42              return -1; 
43      } 

最 难 理 解 的 是 mmap 函 数 MAP_SHARED 、 MAP_PRIVATE 参 数 。 使 用MAP_PRIVATE 映射时，在没有发生写操作时，APP、驱动访问的都是同一块内存；当 APP 发起写操作时，就会触发“copy on write”，即内核会先创建该内存块的拷贝，APP 的写操作在这个新内存块上进行，这个新内存块是 APP 私有的，别的 APP、驱动看不到。 

仅用 MAP_SHARED 参数时，多个 APP、驱动读、写时，操作的都是同一个内存块，“共享”。

MAP_PRIVATE 映射是很有用的，Linux 中多个 APP 都会使用同一个动态库，在没有写操作之前大家都使用内存中唯一一份代码。当 APP1 发起写操作时，内核会为它复制一份代码，再执行写操作，APP1 就有了专享的、私有的动态库，在里面做的修改只会影响到 APP1。其他程序仍然共享原先的、未修改的代码。

有了这些知识后，下面的代码就容易理解了，请看代码中的注释：

    printf("mmap address = 0x%x\n", buf); 
46      printf("buf origin data = %s\n", buf); /* old */ 
47 
48      /* 3. write */ 
49      strcpy(buf, "new"); 
50 
51      /* 4. read & compare */ 
52      /* 对于 MAP_SHARED 映射:  str = "new" 
53       * 对于 MAP_PRIVATE 映射: str = "old" 
54       */ 
55      read(fd, str, 1024); 
56      if (strcmp(buf, str) == 0) 
57      { 
58              /* 对于 MAP_SHARED 映射，APP 写的数据驱动可见 
59               * APP 和驱动访问的是同一个内存块 
60               */ 
61              printf("compare ok!\n"); 
62      } 
63      else 
64      { 
65              /* 对于 MAP_PRIVATE 映射，APP 写数据时, 是写入另一个内存块(是原内存块的
"拷贝") 
66               */ 
67              printf("compare err!\n"); 
68              printf("str = %s!\n", str);  /* old */ 
69              printf("buf = %s!\n", buf);  /* new */ 
70      } 

5.2 hello_drv_test.c

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

/*
 * ./hello_drv_test
 */
int main(int argc, char **argv)
{
	int fd;
	char *buf;
	int len;
	char str[1024];
	
	
	/* 1. 打开文件 */
	fd = open("/dev/hello", O_RDWR);
	if (fd == -1)
	{
		printf("can not open file /dev/hello\n");
		return -1;
	}

	/* 2. mmap 
	 * MAP_SHARED  : 多个APP都调用mmap映射同一块内存时, 对内存的修改大家都可以看到。
	 *               就是说多个APP、驱动程序实际上访问的都是同一块内存
	 * MAP_PRIVATE : 创建一个copy on write的私有映射。
	 *               当APP对该内存进行修改时，其他程序是看不到这些修改的。
	 *               就是当APP写内存时, 内核会先创建一个拷贝给这个APP, 
	 *               这个拷贝是这个APP私有的, 其他APP、驱动无法访问。
	 */
	buf =  mmap(NULL, 1024*8, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
	if (buf == MAP_FAILED)
	{
		printf("can not mmap file /dev/hello\n");
		return -1;
	}

	printf("mmap address = 0x%x\n", buf);
	printf("buf origin data = %s\n", buf); /* old */

	/* 3. write */
	strcpy(buf, "new");

	/* 4. read & compare */
	/* 对于MAP_SHARED映射:  str = "new" 
	 * 对于MAP_PRIVATE映射: str = "old" 
	 */
	read(fd, str, 1024);  
	if (strcmp(buf, str) == 0)
	{
		/* 对于MAP_SHARED映射，APP写的数据驱动可见
		 * APP和驱动访问的是同一个内存块
		 */
		printf("compare ok!\n");
	}
	else
	{
		/* 对于MAP_PRIVATE映射，APP写数据时, 是写入原来内存块的"拷贝"
		 */
		printf("compare err!\n");
		printf("str = %s!\n", str);  /* old */
		printf("buf = %s!\n", buf);  /* new */
	}

	while (1)
	{
		sleep(10);  /* cat /proc/pid/maps */
	}
	
	munmap(buf, 1024*8);
	close(fd);
	
	return 0;
}

5.3 驱动编程

5.3.1 分配一块 8K 的内存 

使用哪一个函数分配内存？ 

我们应该使用 kmalloc 或 kzalloc，这样得到的内存物理地址是连续的，在 mmap 时后 APP 才可以使用同一个基地址去访问这块内存。(如果物理地址不连续，就要执行多次 mmap 了)。 

5.3.2  提供 mmap 函数

关键在于 mmap 函数，代码如下： 

要注意的是，remap_pfn_range 中，pfn 的意思是“Page Frame Number”。在 Linux 中，整个物理地址空间可以分为第 0 页、第 1 页、第 2 页，诸如此类，这就是 pfn。假设每页大小是 4K，那么给定物理地址 phy，它的 pfn = phy / 4096 = phy >> 12。内核的 page 一般是 4K，但是也可以配置内核修改 page的大小。所以为了通用，pfn = phy >> PAGE_SHIFT。

APP 调用 mmap 后，会导致驱动程序的 mmap 函数被调用，最终 APP 的虚拟地址和驱动程序中的物理地址就建立了映射关系。APP 可以直接访问驱动程序的buffer。

5.4 hello_drv.c

 

#include 

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

/* 1. 确定主设备号                                                                 */
static int major = 0;
static char *kernel_buf;
static struct class *hello_class;
static int bufsiz = 1024*8;

#define MIN(a, b) (a < b ? a : b)

/* 3. 实现对应的open/read/write等函数，填入file_operations结构体                   */
static ssize_t hello_drv_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
	int err;
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	err = copy_to_user(buf, kernel_buf, MIN(bufsiz, size));
	return MIN(bufsiz, size);
}

static ssize_t hello_drv_write (struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
	int err;
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	err = copy_from_user(kernel_buf, buf, MIN(1024, size));
	return MIN(1024, size);
}

static int hello_drv_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma)
{
	/* 获得物理地址 */
	unsigned long phy = virt_to_phys(kernel_buf);

	/* 设置属性: cache, buffer */
	vma->vm_page_prot = pgprot_writecombine(vma->vm_page_prot);

	/* map */
	if (remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, phy >> PAGE_SHIFT,
			    vma->vm_end - vma->vm_start, vma->vm_page_prot)) {
		printk("mmap remap_pfn_range failed\n");
		return -ENOBUFS;
	}

	return 0;
}

static int hello_drv_open (struct inode *node, struct file *file)
{
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	return 0;
}

static int hello_drv_close (struct inode *node, struct file *file)
{
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	return 0;
}

/* 2. 定义自己的file_operations结构体                                              */
static struct file_operations hello_drv = {
	.owner	 = THIS_MODULE,
	.open    = hello_drv_open,
	.read    = hello_drv_read,
	.write   = hello_drv_write,
	.release = hello_drv_close,
	.mmap    = hello_drv_mmap,
};

/* 4. 把file_operations结构体告诉内核：注册驱动程序                                */
/* 5. 谁来注册驱动程序啊？得有一个入口函数：安装驱动程序时，就会去调用这个入口函数 */
static int __init hello_init(void)
{
	int err;

	kernel_buf = kmalloc(bufsiz, GFP_KERNEL);
	strcpy(kernel_buf, "old");
	
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	major = register_chrdev(0, "hello", &hello_drv);  /* /dev/hello */


	hello_class = class_create(THIS_MODULE, "hello_class");
	err = PTR_ERR(hello_class);
	if (IS_ERR(hello_class)) {
		printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
		unregister_chrdev(major, "hello");
		return -1;
	}
	
	device_create(hello_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "hello"); /* /dev/hello */
	
	return 0;
}

/* 6. 有入口函数就应该有出口函数：卸载驱动程序时，就会去调用这个出口函数           */
static void __exit hello_exit(void)
{
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	device_destroy(hello_class, MKDEV(major, 0));
	class_destroy(hello_class);
	unregister_chrdev(major, "hello");
	kfree(kernel_buf);
}


/* 7. 其他完善：提供设备信息，自动创建设备节点                                     */

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");