Linux设备驱动之内存映射

1. 内存映射

所谓的内存映射就是把物理内存映射到进程的地址空间之内，这些应用程序就可以直接使用输入输出的地址空间，从而提高读写的效率。Linux提供了mmap()函数，用来映射物理内存。

在驱动程序中，应用程序以设备文件为对象，调用mmap()函数，内核进行内存映射的准备工作，生成vm_area_struct结构体，然后调用设备驱动程序中定义的mmap函数。

 

2. 映射的种类

把同一个物理地址映射为虚拟地址有两种方法：

  1） 第一种是mmap()函数将物理地址映射到进程的虚拟地址空间中去

  2）第二种方法为ioremap()函数映射到内核虚拟地址上的方法。

 

3. 应用程序中的mmap函数

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

   start 映射到进程空间的虚拟地址，通常为NULL

   length 映射空间的大小

   prot 映射到内存的读写权限

  flags flags可取MAP_SHARED,MAP_PRIVATE,MAP_FIXED,如果是MAP_SHARED,此进程对映射空间的内容修改会影响到其它的进程，即对其它的进程可见，而MAP_PRIVATE，此进程修改的内容对其它的进程不可见

  fd  要映射文件的文件标识符

  offset 映射文件的位置，一般从头开始。而在设备文件中，表示映射物理地址的起始地址

 

4.设备驱动程序的mmap函数

int XXX_mmap(struct file*filp,struct vm_area_struct *vma);

首先调用应用程序的mmap函数，然后内核进行适当处理之后，进行相应的内存映射，即生成vm_area_struct结构体，然后传递给设备驱动程序的mmap函数。

关于vma中的一些参数说明:

(1)unsigned long vm_start  映射到进程空间的起始地址

(2)unsigned long vm_end   映射到进程空间的结束地址

(3)unsigned long vm_flags  即包含在应用程序中mmap中的flags值, 如VM_READ,VM_WRITE,VM_SHARED,VM_EXEC

(4)unsigned long vm_pgoff 映射到物理内存的偏移量

 

5.mmap映射的方法

有两种方法建立页表:

1） 一次性建立页表，可以调用函数remap_pfn_range

2）每次建立一个页的页表，调用函数nopage。

 

remap_pfn_range:

这个函数的功能是一次性建立新的页表去映射物理地址。

int remap_pfn_range(struct vma_area_struct* vma,unsigned long virt_addr,unsigned long pfn,unsigned long size,pgprot_t prot);

 

返回值:映射成功时返回0，否则返回一个错误的负数代码。

 

vma        物理地址被映射到的虚拟内存区域

virt_addr 被映射到进程空间的起始虚拟地址。页表建立的范围在virt_addr到virt_addr+size

pfn          对应物理地址的页框号，一般是vma->vm_pgoff域。

size        被映射区域的字节大小

prot        vma->vm_page_prot

 

 

nopage：

struct page *(*nopage) (struct vm_area_struct *vma, unsigned long address, int *type);

 

vm_area_struct:   虚拟内存区域

address:                发生page fault的进程空间的虚拟地址

type                        page fault的处理类型

 

get_page(struct page* pageptr);

增加被映射页的使用次数。

 

 remap_pfn_range与nopage的区别

(1)remap_pfn_range一次性建立页表，而nopage通过缺页中断找到内核虚拟地址，然后通过内核虚拟地址找到对应的物理页

(2)remap_pfn_range函数只对保留页和物理内存之外的物理地址映射，而对常规RAM，remap_pfn_range函数不能映射，而nopage函数可以映射常规的RAM。

 

4. 例子

 

下面的例子分别采用remap_pfn_range与nopage建立内存映射

 驱动程序memap.c:

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/fcntl.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/page.h>
#include <asm/io.h>
#include <linux/vmalloc.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/init.h>
#define SHARE_MEM_COUNT 4
#define SHARE_MEM_SIZE (PAGE_SIZE*SHARE_MEM_COUNT)
 
MODULE_LICENSE("GPL");
static char* reserve_virt_addr;
static int major;
char* share_memory=NULL;
int mmapdrv_open(struct inode*,struct file* filp); //驱动程序的open函数
int mmapdrv_release(struct inode*,struct file* filp);//驱动程序的release函数
int mmapdrv_mmap(struct file* file,struct vm_area_struct*vma);//驱动程序中的mmap函数
void simple_vma_open(struct vm_area_struct* vma );//vm_operations_struct对vma(虚拟内存区域)打开函数
void simple_vma_close(struct vm_area_struct *vma);//vma的关闭函数
struct page* simple_vma_nopage(struct vm_area_struct* vma,unsigned long address,int *type);//nopage映射
struct page* simple_vma_nopage1(struct vm_area_struct* vma,unsigned long address,int *type);
static int simple_nopage_mmap(struct file* filp,struct vm_area_struct *vma);//驱动程序中的mmap与上面的mmap可选择其一
static struct file_operations mmapdrv_fops={
 owner:THIS_MODULE,
 mmap:simple_nopage_mmap,
 open: mmapdrv_open,
 release:mmapdrv_release,
};
static struct vm_operations_struct simple_remap_vm_ops={
 .open=simple_vma_open,
 .close=simple_vma_close,
 .nopage=simple_vma_nopage1,
};
static int __init memc_init(void){
if((major=(register_chrdev(0,"mapdrv",&mmapdrv_fops)))<0){
  printk("register mapdrv failure/n");
  return -EIO;
}
printk("register success,major=%d/n",major);
share_memory=vmalloc(SHARE_MEM_SIZE);//通过vmalloc分配内存，返回的是内核虚拟地址,然后将物理内存映射到进程的虚拟地址空间上去
int lp;
for(lp=0;lp<SHARE_MEM_COUNT;lp++){
sprintf(share_memory+PAGE_SIZE*lp,"Test %d",lp);
}
 return 0;
}
static void __exit memc_exit(void){
  if(reserve_virt_addr){
  iounmap(reserve_virt_addr);
}
  unregister_chrdev(major,"mapdrv");
  return;
 

}
int mmapdrv_open(struct inode* inode,struct file* filp){
 //MOD_INC_USE_COUNT;
 return 0;
}
int mmapdrv_release(struct inode* inode,struct file* filp){
 //MOD_DEC_USE_COUNT;
 return(0);
}
 
//remap_pfn_range一次性建立页表进行映射
int mmapdrv_mmap(struct file* filp,struct vm_area_struct *vma){
 
printk("vm_pgoff=0x%lx/n",vma->vm_pgoff<<PAGE_SHIFT); //返回的是物理地址偏移
printk("vm_start=0x%lx/n",vma->vm_start);//进程地址空间的起始地址
printk("vm_end=0x%lx/n",vma->vm_end);//进程地址空间的结束地址
printk("vm_flags=0x%lx/n",vma->vm_flags);
unsigned long physical=vma->vm_pgoff<<PAGE_SHIFT;
unsigned long size=vma->vm_end-vma->vm_start; //映射的空间长度
vma->vm_flags|=VM_RESERVED;//remap只能对VM_RESERVED和物理内存之外的内存进行映射
vma->vm_flags|=VM_IO;
if(remap_pfn_range(vma,vma->vm_start,vma->vm_pgoff,size,PAGE_SHARED)){
  printk("remap page range failed/n");
return -ENXIO;
}
printk("remap page range success/n");
return 0;
 
 
}
 
//nopage映射
static int simple_nopage_mmap(struct file* filp,struct vm_area_struct *vma){
unsigned long offset=vma->vm_pgoff<<PAGE_SHIFT;
if(offset>=__pa(high_memory)||(filp->f_flags&O_SYNC)){
 vma->vm_flags|=VM_IO;
 }
vma->vm_flags|=VM_RESERVED;
vma->vm_ops=&simple_remap_vm_ops;//当发生page fault时会调用nopage函数进行缺页处理
simple_vma_open(vma);
return 0;
}
void simple_vma_open(struct vm_area_struct *vma){
printk(KERN_NOTICE "simple VMA open virt %lx,phys %lx/n",vma->vm_start,vma->vm_pgoff<<PAGE_SHIFT);

}
void simple_vma_close(struct vm_area_struct *vma){
printk(KERN_NOTICE "Simple VMA close./n");

}
 
//simple_vma_nopage是通过物理地址找到page,而simple_vma_nopage1通过内核虚拟地址找到page, 即vmalloc返回的内核虚拟地址
struct page* simple_vma_nopage(struct vm_area_struct* vma,unsigned long address,int *type){
printk("call nopage method/n");
struct page* pageptr;
unsigned long offset=vma->vm_pgoff<<PAGE_SHIFT;
unsigned long physaddr=address-vma->vm_start+offset; //address是缺页进程地址空间的虚拟地址，vm_start是进程地址空间的起始映射地址,address-vma->vm_start+offset要映射的物理地址
unsigned long pageframe=physaddr>>PAGE_SHIFT;
printk("offset is %lx, physaddr is %lx,pageframe is %lx/n",offset,physaddr,pageframe);
if(!pfn_valid(pageframe))
 return NOPAGE_SIGBUS;
pageptr=pfn_to_page(pageframe);//根据页框号，得到page
if(type)
*type=VM_FAULT_MINOR;
printk("pageptr is %lx/n",(unsigned long)pageptr);
return pageptr;
}
 
//首先根据page fault的进程地址空间的address找到内核虚拟地址，然后根据内核虚拟地址，即vmalloc返回的地址找到相对应的page
//对于address-vma->vm_start地址范围的内容是通过vmalloc()+address-vma->vm_start找到相应的页取得的，所以对于用户空间address-vma->vm_start存储的内容就是vmalloc()+address-vma->vm_start对应页的内容
struct page* simple_vma_nopage1(struct vm_area_struct* vma,unsigned long address,int *type){
struct page *page;
unsigned long offset1;
void *page_ptr;
unsigned long offset=vma->vm_pgoff<<PAGE_SHIFT;
unsigned long physaddr=address-vma->vm_start+offset;
unsigned long pageframe=physaddr>>PAGE_SHIFT;
printk("vm_pgoff is %lx, PAGE_SHIFT is %lx,PAGE_SIZE is %lx,offset is %lx, physaddr is %lx,pageframe is %lx/n",vma->vm_pgoff,PAGE_SHIFT,(unsigned long)PAGE_SIZE,offset,physaddr,pageframe);
offset1=address-vma->vm_start; //映射的进程地址空间的偏移
if(offset1>=SHARE_MEM_SIZE)return NOPAGE_SIGBUS;
page_ptr=share_memory+offset1;//对应的缺页的内核虚拟地址
printk("address is %lx,vma->vm_start is %lx,offset1 is %lx,share_memory is %lx,page_ptr is %lx/n",address,vma->vm_start,offset1,(unsigned long )share_memory,(unsigned long)page_ptr);
page=vmalloc_to_page(page_ptr);
get_page(page);//增加该页的使用计数
if(type) *type=VM_FAULT_MINOR;
return page;
}

module_init(memc_init);
module_exit(memc_exit);
 
 

 

测试程序:

test.c

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#define SHARE_MEM_COUNT 4
#define SHARE_MEM_SIZE (4096*SHARE_MEM_COUNT)
int main(){
int fd;
char *data;
int loop;
fd=open("/dev/mapdrv",O_RDWR|O_NDELAY);
if(fd>=0){
data=(char*)mmap(0,SHARE_MEM_SIZE,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
printf("data is %lx/n",(unsigned long)data);
printf("[%s]/n",data+4096*loop);
}
munmap(data,SHARE_MEM_SIZE);
close(fd);
}
return 0;
}
 

运行:

(1)将memap.c与test.c文件放到/usr/src/kernels/linux-2.6.20/drivers/char目录下。

并在Makefile文件中添加obj-m  +=memap.o

(2)返回到/usr/src/kernels/linux-2.6.20下make.

(3)插入模块insmod memap.ko,然后 mknod /dev/globalvar c 252 0

252是动态生成的major值。

(4)编译test gcc -o test test.c

(5)./test，可以打印出写入的值。

 [Test 0]

 [Test 1]

 [Test 2]

 [Test 3]

 

 

总结:

1.对于mmap的内存映射，是将物理内存映射到进程的虚拟地址空间中去，那么进程对文件的访问就相当于直接对内存的访问，从而加快了读写操作的效率。在这里，remap_pfn_range函数是一次性的建立页表，而nopage函数是根据page fault产生的进程虚拟地址去找到内核相对应的逻辑地址，再通过这个逻辑地址去找到page。完成映射过程。remap_pfn_range不能对常规内存映射，只能对保留的内存与物理内存之外的进行映射。

 

2.在这里，要分清几个地址，一个是物理地址，这个很简单，就是物理内存的实际地址。第二个是内核虚拟地址，即内核可以直接访问的地址，如kmalloc,vmalloc等内核函数返回的地址，kmalloc返回的地址也称为内核逻辑地址。内核虚拟地址与实际的物理地址只有一个偏移量。第三个是进程虚拟地址，这个地址处于用户空间。而对于mmap函数映射的是物理地址到进程虚拟地址，而不是把物理地址映射到内核虚拟地址。而ioremap函数是将物理地址映射为内核虚拟地址。

 

3.用户空间的进程调用mmap函数，首先进行必要的处理，生成vma结构体，然后调用remap_pfn_range函数建立页表。而用户空间的mmap函数返回的是映射到进程地址空间的首地址。所以mmap函数与remap_pfn_range函数是不同的，前者只是生成mmap，而建立页表通过remap_pfn_range函数来完成。