Linux下mmap驱动实现

详细分析请看:韦东山:Linux驱动程序基石之mmap

1.mmap简介

mmap函数用于将一个文件或者其它对象映射进内存,通过对这段内存的读取和修改,来实现对文件的读取和修改,而不需要再调用read,write等操作。

头文件:
函数原型:

void* mmap(void* start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offset);int munmap(void* start,size_t length);

2.mmap系统调用接口参数说明

  • (1)映射函数

    void *mmap(void *addr, size_t len, int prot, int flags, int fd, off_t offset); 
    

    参数说明:

    • addr:指定文件应被映射到进程地址空间的起始地址,通常设为NULL,由系统指定。​
    • len:映射到调用进程地址空间的字节数,它从被映射文件开头offset个字节开始算起。
    • prot:指定共享内存的访问权限,可以是:
      PROT_EXEC:映射区可被执行​
      PROT_READ:映射区可被读取​
      PROT_WRITE:映射区可被写入​
      PROT_NONE:映射区不能存取​
    • flags:映射区的特性,可以是:
      ​MAP_SHARED:写入映射区的数据会复制回文件,且允许其他映射该文件的进程共享。​
      MAP_PRIVATE:对映射区的写入操作会产生一个映射区的复制(copy_on_write),对此区域所做的修改不会写回原文件。​
    • fd:由open返回的文件描述符,代表要映射的文件。​
    • offset:映射位置在文件开始处的偏移量,必须是分页大小的整数倍。通常为0,表示从文件头开始映射。
  • (2)解除映射

    int munmap(void *start, size_t length); 
    

    功能:取消参数start所指向的映射内存,参数length表示欲取消的内存大小。​
    返回值:解除成功返回0,否则返回-1

3.Linux内核的mmap接口

  • 3.1 内核描述虚拟内存的结构体
    Linux内核中使用结构体vm_area_struct来描述虚拟内存的区域,其中几个主要成员如下:​
    unsigned long vm_start 虚拟内存区域起始地址​
    unsigned long vm_end 虚拟内存区域结束地址​
    unsigned long vm_flags 该区域的标志​
    unsigned long vm_page_prot 此vma的访问保护属性,在内核arch\powerpc\include\asm\book3s\32\pgtable.h文件中有以pgprot_开头的函数来配置相关的属性。
    unsigned long vm_pgoff 基于映射的文件头的偏移(以PAGE_SIZE为单位)
    

该结构体定义在头文件中。​

该结构体的vm_flags成员赋值的标志为:VM_IO和VM_RESERVED。​

VM_IO表示对设备IO空间的映射;
M_RESERVED表示该内存区不能被换出,在设备驱动中虚拟页和物理页的关系应该是长期的,应该保留起来,不能随便被别的虚拟页换出(取消)。
从linux 3.7.0开始内核不再支持struct vm_area_struct结构体中flag标志使用值 VM_RESERVED;而是需要在类似的驱动开发中需要将VM_RESERVED改成(VM_DONTEXPAND | VM_DONTDUMP);
  • 3.2 mmap操作接口
    在字符设备的文件操作集合(struct file_operations)中有mmap函数的接口。原型如下:
    int (*mmap) (struct file *filp, struct vm_area_struct *vma);
    

其中第二个参数struct vm_area_struct *相当于内核找到的,可以拿来用的虚拟内存区间。mmap内部可以完成页表的建立。

  • 3.3 实现mmap映射

    映射一个设备是指把用户空间的一段地址关联到设备内存上,当程序读写这段用户空间的地址时,它实际上是在访问设备。这里需要做的两个操作:
    1.找到可以用来关联的虚拟地址区间。​
    2.实现关联操作。
    mmap设备操作实例如下:

    static int tiny4412_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma){​
    	vma->vm_flags |= VM_IO;//表示对设备IO空间的映射 ​
    	vma->vm_flags |= VM_RESERVED;//标志该内存区不能被换出,在设备驱动中虚拟页和物理页的关系应该是长期的,应该保留起来,不能随便被别的虚拟页换出 ​
    	
    	vma->vm_page_prot = pgprot_writecombine(vma->vm_page_prot);	//修改访问保护属性
    	
    	if(remap_pfn_range(
    		vma,	//虚拟内存区域,即设备地址将要映射到这里
    		vma->vma_start,	//虚拟空间的起始地址
    		(phys + offset) >> PAGE_SHIFT,	//与物理内存对应的页帧号,物理地址右移12位
    		vma->vma_end - vma->vma_start,	//映射区域大小,一般是页大小的整数倍 ​
    		vma->vm_page_prot	//保护属性, ​
    	) {
    		return -EAGAIN;}printk("tiny4412_mmap\n");return 0;}
    

    其中的buf就是在内核中申请的一段空间。使用kmalloc函数实现。
    代码如下:

    buf = (char *)kmalloc(MM_SIZE, GFP_KERNEL);//内核申请内存只能按页申请,申请该内存以便后面把它当作虚拟设备 
    
  • 3.4 remap_pfn_range函数

  • 3.4.1 remap_pfn_range函数用于一次建立所有页表。函数原型如下:

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

    其中:

    • vma:是内核为我们找到的虚拟地址空间;
    • addr:要关联的是虚拟地址;
    • pfn:是要关联的物理地址;
    • size:是关联的长度是多少;
    • prot:vma的访问权限(属性)。​
  • 3.4.2 ioremap与phys_to_virt、virt_to_phys的区别:​

    • ioremap:是用来为IO内存建立映射的, 它为IO内存分配了虚拟地址,这样驱动程序才可以访问这块内存。 ​
    • phys_to_virt:计算出某个已知物理地址所对应的虚拟地址。​
    • virt_to_phys :虚拟地址转换为物理地址
  • 3.5 示例代码: 驱动层

    #include 
    #include 
    #include 
    #include 
    #include  //定义kmalloc接口  
    #include      //定义virt_to_phys接口  
    #include    //remap_pfn_range
    #include 
    #include 
    #define MM_SIZE 4096  
    static char *buf= NULL;  
    static int tiny4412_open(struct inode *my_indoe, struct file *my_file)
    {
       buf=(char *)kmalloc(MM_SIZE,GFP_KERNEL);//内核申请内存只能按页申请,申请该内存以便后面把它当作虚拟设备  
       if(buf==NULL)
       {
          printk("error!\n");
          return 0;
       }
       strcpy(buf,"1234567890");
       printk("open ok\n");
       return 0;
    }
    
    static int tiny4412_release(struct inode *my_indoe, struct file *my_file)
    {
       printk("驱动层打印=%s\n",buf);
       kfree(buf); /*释放空间*/
       printk("open release\n");
       return 0;
    }
    
    static int tiny4412_mmap(struct file *myfile, struct vm_area_struct *vma)
    {
       vma->vm_flags |= VM_IO;//表示对设备IO空间的映射  
       vma->vm_flags |= VM_RESERVED;//标志该内存区不能被换出,在设备驱动中虚拟页和物理页的关系应该是长期的,应该保留起来,不能随便被别的虚拟页换出  
    
    	vma->vm_page_prot = pgprot_writecombine(vma->vm_page_prot);	//修改访问保护属性
    
       if(remap_pfn_range(vma,//虚拟内存区域,即设备地址将要映射到这里  
                      vma->vm_start,//虚拟空间的起始地址  
                      virt_to_phys(buf)>>PAGE_SHIFT,//与物理内存对应的页帧号,物理地址右移12位  
                      vma->vm_end - vma->vm_start,//映射区域大小,一般是页大小的整数倍  
                      vma->vm_page_prot))//保护属性,  
       {  
          return -EAGAIN;  
       }  
    
       printk("tiny4412_mmap ok\n");
       return 0;
    }
    
    static struct file_operations tiny4412_fops=
    {
       .open=tiny4412_open,
       .release=tiny4412_release,
       .mmap=tiny4412_mmap
    };
    
    static struct miscdevice misc={
       .minor=255,
       .name="tiny4412_mmap",  // /dev/下的名称
       .fops=&tiny4412_fops,
    };
    
    static int __init hello_init(void)
    {
       /*1. 注册杂项字符设备*/
       misc_register(&misc);
       printk("hello_init 驱动安装成功!\n");
       return 0;
    }
    
    static void __exit hello_exit(void)
    {
        /*2. 注销*/
        misc_deregister(&misc);
       printk("hello_exit驱动卸载成功!\n");
    }
    
    module_init(hello_init); 
    module_exit(hello_exit); 
    
    MODULE_AUTHOR("www.wanbangee.com");      //声明驱动的作者
    MODULE_DESCRIPTION("hello 模块测试"); //描述当前驱动功能
    MODULE_LICENSE("GPL");  //驱动许可证。支持的协议GPL。
    
  • 3.6 示例代码: 应用层

    #include 
    #include 
    
    unsigned char *fbmem=NULL;
    unsigned char buff[10];
    int main(int argc,char**argv)
    {
       int fd;
       fd=open("/dev/tiny4412_mmap",2);
       if(fd<0)
        {
          printf("驱动打开失败!\n");
          return -1;  
        }
       fbmem =(unsigned char *)mmap(NULL,4096,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
       if(fbmem==NULL)
       {
         printf("映射错误!\n");
       }
       printf("应用层打印1=%s\n",fbmem); //打印出123456789
       memcpy(fbmem,"123456789",10);   //向映射空间拷贝数据
       memcpy(buff,fbmem,10);          //将映射空间的数据拷贝出来
       printf("应用层打印2=%s\n",buff); //打印出123456789
       close(fd);
       return 0;
    }
    

4.参考:

  • 1 Linux下MMAP驱动实现​
  • 2 mmap对齐问题
  • 3 【Linux应用编程】mmap内存映射

你可能感兴趣的:(Linux,C,linux)