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Linux下mmap驱动实现​

网友: 文章列表 2024-03-21 20:48:24

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：<sys/mman.h>
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<linux/mm_types.h>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 <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/slab.h> //定义kmalloc接口  
#include <asm/io.h>     //定义virt_to_phys接口  
#include <linux/mm.h>   //remap_pfn_range
#include <linux/vmalloc.h>
#include <linux/delay.h>
#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 <stdio.h>
#include <sys/mman.h>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123456789memcpy(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123456789close(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

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