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