Linux驱动修炼之道-内存映射

 

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

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

内存映射函数mmap负责把文件内容映射到进程的虚拟内存空间，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。
addr:指定映射的起始地址，通常设为NULL，由系统指定。
length:映射到内存的文件长度。
prot:映射的保护方式，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:以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。
解除映射：

int munmap(void *start, size_t length);

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，错误原因存在于errno中。
虚拟地址区域：vm_area_struct
Linux内核使用结构vm_area_struct(<linux/mm_types.h>)描述虚拟内存区域，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
如：VM_IO和VM_RESERVED。VM_IO将该VMA标记为内存映射的IO区域，VM_IO会阻止系统将该区域包含在进程的存放转存(core dump)中，VM_RESERVED标志内存区域不能被换出。
mmap设备操作
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.关联
其中找到可以用来关联的虚拟地址区间是由内核完成的，mmap只要关联这个操作。
mmap方法是file_operations结构的成员，在mmap系统调用发出时被调用。在此之前，内核已经完成了很多工作。mmap设备方法所需要做的就是建立虚拟地址到物理地址的页表。

void (*mmap)(struct file*, struct vm_area_struct *);

void (*mmap)(struct file*, struct vm_area_struct *);

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完成页表的建立：
方法有二：
1.使用remap_pfn_range一次建立所有页表；
2.使用nopage VMA方法每次建立一个页表；
构造页表的工作可由remap_pgn_range函数完成，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);

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

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。
mmap设备操作实例：

int memdev_map(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma){
    vma->vm_flags |= VM_IO;
    vma->vm_flags |= VM_RESERVED;
    if(remap_pgn_range(vma,vma->start, virt_to_phys(dev->data>>PAGE_SHIFT),size,vma->vm_page_prot))
        return -EAGAIN;
    return 0;
}

int memdev_map(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma){ vma->vm_flags |= VM_IO; vma->vm_flags |= VM_RESERVED; if(remap_pgn_range(vma,vma->start, virt_to_phys(dev->data>>PAGE_SHIFT),size,vma->vm_page_prot)) return -EAGAIN; return 0; }

先说一下对于ARM而言虚拟地址与物理地址的关系：
在arch/arm/include/asm/memory.h中：

#define __virt_to_phys(x)   ((x) - PAGE_OFFSET + PHYS_OFFSET)
#define __phys_to_virt(x)   ((x) - PHYS_OFFSET + PAGE_OFFSET)

static inline unsigned long virt_to_phys(void *x)
{
    return __virt_to_phys((unsigned long)(x));
}

static inline void *phys_to_virt(unsigned long x)
{
    return (void *)(__phys_to_virt((unsigned long)(x)));
}

#define __virt_to_phys(x) ((x) - PAGE_OFFSET + PHYS_OFFSET) #define __phys_to_virt(x) ((x) - PHYS_OFFSET + PAGE_OFFSET) static inline unsigned long virt_to_phys(void *x) { return __virt_to_phys((unsigned long)(x)); } static inline void *phys_to_virt(unsigned long x) { return (void *)(__phys_to_virt((unsigned long)(x))); }

上面转换过程的PAGE_OFFSET通常为3G，而PHYS_OFFSET则定于为系统DRAM内存的基地址。因此，对于我们的开发板，并不是将0地址映射到3G，而是将外接的SDRAM的首地址映射到3G。注意：这里的virt_to_phys和phys_to_virt方法仅适用于896MB以下的低端内存，高端内存的虚拟地址与物理地址之间不存在如此简单的换算关系。下边是fbmem.c中的mmap操作,示意图如下：

static int
fb_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct * vma)
__acquires(&info->lock)
__releases(&info->lock)
{
    int fbidx = iminor(file->f_path.dentry->d_inode);
    struct fb_info *info = registered_fb[fbidx];
    struct fb_ops *fb = info->fbops;
    unsigned long off;
    unsigned long start;
    u32 len;

    if (vma->vm_pgoff > (~0UL >> PAGE_SHIFT))
        return -EINVAL;
    /*
     *vma->vm_pgoff是vma区域在文件中的偏移量，即图中的off,左移PAGE_SHIFT是把以页为单位转为以字节为单位
     *若PAGE_SIZE为4KB，则PAGE_SHIFT为12，因为PAGE_SIZE等于1<<PAGE_SHIFT。
     */
    off = vma->vm_pgoff << PAGE_SHIFT;
    if (!fb)
        return -ENODEV;
    /*如果具体设备驱动中实现了mmap，则调用具体设备驱动中的mmap，否则使用fbmem.c中的*/
    if (fb->fb_mmap) {
        int res;
        mutex_lock(&info->lock);
        res = fb->fb_mmap(info, vma);
        mutex_unlock(&info->lock);
        return res;
    }

    mutex_lock(&info->lock);

    /*显存的物理地址*/
    start = info->fix.smem_start;
    /*求出帧缓冲的长度*/
    len = PAGE_ALIGN((start & ~PAGE_MASK) + info->fix.smem_len);
    if (off >= len) {
        /* memory mapped io */
        off -= len;
        if (info->var.accel_flags) {
            mutex_unlock(&info->lock);
            return -EINVAL;
        }
        /*内存映射I/O的开始位置*/
        start = info->fix.mmio_start;
        /*内存映射I/O的长度*/
        len = PAGE_ALIGN((start & ~PAGE_MASK) + info->fix.mmio_len);
    }
    mutex_unlock(&info->lock);
    /*把起始地址页对齐*/
    start &= PAGE_MASK;
    /*如果区域大于总长度，报错*/
    if ((vma->vm_end - vma->vm_start + off) > len)
        return -EINVAL;
    /*得到在文件中的偏移*/
    off += start;
    /*把以页为单位转为以字节为单位*/
    vma->vm_pgoff = off >> PAGE_SHIFT;
    /* This is an IO map - tell maydump to skip this VMA */
    /*设置VMA标志，将VMA设置成一个内存映射的IO区域，VM_RESERVED告诉内存管理系统不要将VMA交换出去*/
    vma->vm_flags |= VM_IO | VM_RESERVED;
    fb_pgprotect(file, vma, off);
    /*真正建立映射的部分，为物理地址和虚拟地址建立页表*/
    if (io_remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, off >> PAGE_SHIFT,
                 vma->vm_end - vma->vm_start, vma->vm_page_prot))
        return -EAGAIN;
    return 0;
}

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