linux 内存映射 PCI内存映射 DMA映射

内存映射， 就是指把外设的内存映射到用户空间访问。系统调用为：

       #include <sys/mman.h>

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

其中fd 可以为打开的普通文件或设备文件。返回的地址为用户地址（即vma的地址, vm_area_struct, 跟描述vmalloc返回内核虚拟地址的vm_struct 不一样。)

驱动程序中的mmap原型为：        

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

 在sysmmap系统调用到f->ops->mmap前，linux OS 已做了大量工作，包含分配vma （或合并原vma）。到此时，vma已经填好，只要将分配物理内存和建立对应的页表即可。如果有物理内存，可以通过remap_pfn_range 一次性建立全部页表，或者在vma的nopage(现新内核改成fault）中每次映射一个页面。

 

用户进程访问用户空间地址的时候直接通过页表访问，跟vma没任何关系。vma是内核管理用户进程的用户态内存区域的。如果访问地址失败（或者缺页表，或者缺物理内存），都将将引发缺页异常。缺页异常会判定异常的原因，如果是映射的file原因，则调用vma的nopage函数，返回page指针，然后据此计算页帧号并写入对应的页表像pte。这样下次就可以访问了。

nopage函数需要返回一个page指针（page为内核描述物理内存的结构）。如果是vmalloc分配的物理页（单个页面不划算，要分配页表），则调用vmalloc_to_page 返回页面指针；如果是get_free_pages(或者kmalloc)返回的内存，则调用virt_to_page返回page指针。（其实这两个函数实现一样，都是 mem_map [ (kaddr －3G)>>12]. 

remap不允许映射常规内存，除非需要mem_map_reserve 先设置成保留，因常规内存由OS自己管理。

 

PCI设备有两次映射，第一次是将外设存储映射到统一的物理地址，在系统启动的时候已经由bios做好了，分配的物理地址记录在PCI外设配置空间里面。在启动后，调用ioremap(pci_resource_start()) 返回内核虚拟地址（跟vmalloc的类似），原型为：

void *  ioremap (unsigned long phys_addr, unsigned long size) 然后可以用专用的IO端口操作函数操作 ioread/iowrite. 

 

DMA映射则相反，DMA映射是分配的缓冲区（内核逻辑地址，不管是dma_alloc_coherent, kmalloc等等，本质都是get_free_pages(DMA)）跟一组设备可访问的物理地址的组合。dma_alloc_coherent 内部调用get_free_pages(DMA)，返回该地址，同时设置对应的物理地址（总线地址返回）。  内核使用逻辑地址设置数据，然后将对应的物理地址写入DMA寄存器（即写上面的ioremap返回的地址），让DMA完成操作。