Linux 用户层、内核层和MMU

一、Linux 用户层、内核层

  在 Linux 中，所有设备都以文件的形式存放在/dev 目录下，都是通过文件的方式进行访问，设备节点是Linux 内核对设备的抽象，一个设备节点就是一个文件。应用程序通过一组标准化的调用执行访问设备，这些调用独立于任何特定的驱动程序。而驱动程序负责将这些标准调用映射到实际硬件的特有操作。
  设备节点，驱动，硬件设备是怎样关联到一起的呢？这是通过设备号实现的，包括主设备号和次设备号。当我们创建一个设备节点时需要指定主设备号和次设备号。应用程序通过名称访问设备，而设备号指定了对应的驱动程序和对应的设备。主设备号标识设备对应的驱动程序，次设备号由内核使用，用于确定设备节点所指设备。
  主设备号：驱动程序在初始化时，会注册它的驱动及对应主设备号到系统中，这样当应用程序访问设备节点时，系统就知道它所访问的驱动程序了。你可以通过/proc/devices 文件来查看系统设备的主设备号。
  次设备号：驱动程序遍历设备时，每发现一个它能驱动的设备，就创建一个设备对象，并为其分配一个次设备号以区分不同的设备。这样当应用程序访问设备节点时驱动程序就可以根据次设备号知道它说访问的设备了。
  设备节点（设备文件）：Linux 中设备节点是通过“mknod”命令来创建的。一个设备节点其实就是一个文件，Linux 中称为设备文件。有一点必要说明的是，在 Linux 中，所有的设备访问都是通过文件的方式，一般的数据文件称为普通文件，设备节点称为设备文件。设备节点就是连接上层应用和底层驱动的桥梁
  设备驱动：设备驱动程序（device driver），简称驱动程序（driver），是一个允许高级(High level)计算机软件（computer software）与硬件（hardware）交互的程序，这种程序建立了一个硬件与硬件，或硬件与软件沟通的界面，经由主板上的总线（bus）或其它沟通子系统（subsystem）与硬件形成连接的机制，这样的机制使得硬件设备（device）上的数据交换成为可能。
  我们的应用层和内核层是不能直接进行数据传输的。我们要想进行数据传输，要借助下面的这两个函数。

static inline long copy_from_user(void *to, const void __user * from, unsigned long n)static inline long copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long n)

二、MMU

  高性能处理器一般会提供一个内存管理单元（MMU），该单元辅助操作系统进行内存管理，提供虚拟地址和物理地址的映射、内存访问权限保护和 Cache 缓存控制等硬件支持。操作系统内核借助MMU可以让用户感觉到程序好像可以使用非常大的内存空间，从而使得编程人员在写程序时不用考虑计算机中物理内存的实际容量。
  MMU 具有虚拟地址和物理地址转换、内存访问权限保护等功能，这将使得Linux 操作系统能单独为系统的每个用户进程分配独立的内存空间并保证用户空间不能访问内核空间的地址，为操作系统的虚拟内存管理模块提供硬件基础。上层应用看到的内存都是虚拟内存，应用就不能直接访问硬件，所以这样就保证了系统安全。
  MMU 非常复杂，那么我们如何完成物理地址到虚拟地址的转换呢？内核给我们提供了相关的函数，函数定义在内核源码目录 include/asm-generic/io.h

ioremap: 把物理地址转换成虚拟地址iounmap: 释放掉 ioremap 映射的地址