Linux驅動mmap內存映射

mmap在linux哪裏？

什麼是mmap？

上圖說了，mmap是操做這些設備的一種方法，所謂操做設備，好比IO端口（點亮一個LED）、LCD控制器、磁盤控制器，實際上就是往設備的物理地址讀寫數據。

可是，因爲應用程序不能直接操做設備硬件地址，因此操做系統提供了這樣的一種機制——內存映射，把設備地址映射到進程虛擬地址，mmap就是實現內存映射的接口。

操做設備還有不少方法，如ioctl、ioremap

mmap的好處是，mmap把設備內存映射到虛擬內存，則用戶操做虛擬內存至關於直接操做設備了，省去了用戶空間到內核空間的複製過程，相對IO操做來講，增長了數據的吞吐量。

什麼是內存映射？

既然mmap是實現內存映射的接口，那麼內存映射是什麼呢？看下圖

每一個進程都有獨立的進程地址空間，經過頁表和MMU，可將虛擬地址轉換爲物理地址，每一個進程都有獨立的頁表數據，這可解釋爲何兩個不一樣進程相同的虛擬地址，卻對應不一樣的物理地址。

什麼是虛擬地址空間？

每一個進程都有4G的虛擬地址空間，其中3G用戶空間，1G內核空間（linux），每一個進程共享內核空間，獨立的用戶空間，下圖形象地表達了這點

驅動程序運行在內核空間，因此驅動程序是面向全部進程的。

用戶空間切換到內核空間有兩種方法：

（1）系統調用，即軟中斷

（2）硬件中斷

虛擬地址空間裏面是什麼？

瞭解了什麼是虛擬地址空間，那麼虛擬地址空間裏面裝的是什麼？看下圖

虛擬空間裝的大概是上面那些數據了，內存映射大概就是把設備地址映射到上圖的紅色段了，暫且稱其爲「內存映射段」，至於映射到哪一個地址，是由操做系統分配的，操做系統會把進程空間劃分爲三個部分：

（1）未分配的，即進程還未使用的地址

（2）緩存的，緩存在ram中的頁

（3）未緩存的，沒有緩存在ram中

操做系統會在未分配的地址空間分配一段虛擬地址，用來和設備地址創建映射，至於怎麼創建映射，後面再揭曉。

如今大概明白了「內存映射」是什麼了，那麼內核是怎麼管理這些地址空間的呢？任何複雜的理論最終也是經過各類數據結構體現出來的，而這裏這個數據結構就是進程描述符。從內核看，進程是分配系統資源（CPU、內存）的載體，爲了管理進程，內核必須對每一個進程所作的事情進行清楚的描述，這就是進程描述符，內核用task_struct結構體來表示進程，而且維護一個該結構體鏈表來管理全部進程。該結構體包含一些進程狀態、調度信息等上千個成員，咱們這裏主要關注進程描述符裏面的內存描述符（struct mm_struct mm）

內存描述符

具體的結構，請參考下圖

如今已經知道了內存映射是把設備地址映射到進程空間地址（注意：並非全部內存映射都是映射到進程地址空間的，ioremap是映射到內核虛擬空間的，mmap是映射到進程虛擬地址的），實質上是分配了一個vm_area_struct結構體加入到進程的地址空間，也就是說，把設備地址映射到這個結構體，映射過程就是驅動程序要作的事了。

內存映射的實現

以字符設備驅動爲例，通常對字符設備的操做都以下框圖

而內存映射的主要任務就是實現內核空間中的mmap()函數，先來了解一下字符設備驅動程序的框架

如下是mmap_driver.c的源代碼

//全部的模塊代碼都包含下面兩個頭文件
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>

#include <linux/types.h> //定義dev_t類型
#include <linux/cdev.h> //定義struct cdev結構體及相關操做
#include <linux/slab.h> //定義kmalloc接口
#include <asm/io.h>//定義virt_to_phys接口
#include <linux/mm.h>//remap_pfn_range
#include <linux/fs.h>

#define MAJOR_NUM 990
#define MM_SIZE 4096

static char driver_name[] = "mmap_driver1";//驅動模塊名字
static int dev_major = MAJOR_NUM;
static int dev_minor = 0;
char *buf = NULL;
struct cdev *cdev = NULL;

static int device_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    printk(KERN_ALERT"device open\n");
    buf = (char *)kmalloc(MM_SIZE, GFP_KERNEL);//內核申請內存只能按頁申請，申請該內存以便後面把它看成虛擬設備
    return 0;
}

static int device_close(struct inode *indoe, struct file *file)
{
    printk("device close\n");
    if(buf)
    {
        kfree(buf);
    }
    return 0;
}

static int device_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma)
{
    vma->vm_flags |= VM_IO;//表示對設備IO空間的映射
    vma->vm_flags |= VM_RESERVED;//標誌該內存區不能被換出，在設備驅動中虛擬頁和物理頁的關係應該是長期的，應該保留起來，不能隨便被別的虛擬頁換出
    if(remap_pfn_range(vma,//虛擬內存區域，即設備地址將要映射到這裏
                       vma->vm_start,//虛擬空間的起始地址
                       virt_to_phys(buf)>>PAGE_SHIFT,//與物理內存對應的頁幀號，物理地址右移12位
                       vma->vm_end - vma->vm_start,//映射區域大小，通常是頁大小的整數倍
                       vma->vm_page_prot))//保護屬性，
    {
        return -EAGAIN;
    }
    return 0;
}

static struct file_operations device_fops =
{
    .owner = THIS_MODULE,
    .open  = device_open,
    .release = device_close,
    .mmap = device_mmap,
};

static int __init char_device_init( void )
{
    int result;
    dev_t dev;//高12位表示主設備號，低20位表示次設備號
    printk(KERN_ALERT"module init2323\n");
    printk("dev=%d", dev);
    dev = MKDEV(dev_major, dev_minor);
    cdev = cdev_alloc();//爲字符設備cdev分配空間
    printk(KERN_ALERT"module init\n");
    if(dev_major)
    {
        result = register_chrdev_region(dev, 1, driver_name);//靜態分配設備號
        printk("result = %d\n", result);
    }
    else
    {
        result = alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, driver_name);//動態分配設備號
        dev_major = MAJOR(dev);
    }

    if(result < 0)
    {
        printk(KERN_WARNING"Cant't get major %d\n", dev_major);
        return result;
    }


    cdev_init(cdev, &device_fops);//初始化字符設備cdev
    cdev->ops = &device_fops;
    cdev->owner = THIS_MODULE;

    result = cdev_add(cdev, dev, 1);//向內核註冊字符設備
    printk("dffd = %d\n", result);
    return 0;
}

static void __exit char_device_exit( void )
{
    printk(KERN_ALERT"module exit\n");
    cdev_del(cdev);
    unregister_chrdev_region(MKDEV(dev_major, dev_minor), 1);
}

module_init(char_device_init);//模塊加載
module_exit(char_device_exit);//模塊退出

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("ChenShengfa");

下面是測試代碼test_mmap.c

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

int main( void )
{
    int fd;
    char *buffer;
    char *mapBuf;
    fd = open("/dev/mmap_driver", O_RDWR);//打開設備文件，內核就能獲取設備文件的索引節點，填充inode結構
    if(fd<0)
    {
        printf("open device is error,fd = %d\n",fd);
        return -1;
    }
    /*測試一：查看內存映射段*/
    printf("before mmap\n");
    sleep(15);//睡眠15秒，查看映射前的內存圖cat /proc/pid/maps
    buffer = (char *)malloc(1024);
    memset(buffer, 0, 1024);
    mapBuf = mmap(NULL, 1024, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);//內存映射，會調用驅動的mmap函數
    printf("after mmap\n");
    sleep(15);//睡眠15秒，在命令行查看映射後的內存圖，若是多出了映射段，說明映射成功

    /*測試二：往映射段讀寫數據，看是否成功*/
    strcpy(mapBuf, "Driver Test");//向映射段寫數據
    memset(buffer, 0, 1024);
    strcpy(buffer, mapBuf);//從映射段讀取數據
    printf("buf = %s\n", buffer);//若是讀取出來的數據和寫入的數據一致，說明映射段的確成功了


    munmap(mapBuf, 1024);//去除映射
    free(buffer);
    close(fd);//關閉文件，最終調用驅動的close
    return 0;
}

 

下面是makefile文件

ifneq ($(KERNELRELEASE),)

obj-m := mmap_driver.o

else
KDIR := /lib/modules/3.2.0-52-generic/build

all:
    make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules
clean:
    rm -f *.ko *.o *.mod.o *.mod.c *~ *.symvers *.order

endif

下面命令演示一下驅動程序的編譯、安裝、測試過程（注：其餘用戶在mknod以後還須要chmod改變權限）

# make    //編譯驅動

# insmod mmap_driver.ko    //安裝驅動

# mknod /dev/mmap_driver c 999 0    //建立設備文件

# gcc test_mmap.c -o test.o    //編譯應用程序

# ./test.o    //運行應用程序來測試驅動程序

拓展：

關於這個過程，涉及一些術語

（1）設備文件：linux中對硬件虛擬成設備文件，對普通文件的各類操做均適用於設備文件

（2）索引節點：linux使用索引節點來記錄文件信息（如文件長度、建立修改時間），它存儲在磁盤中，讀入內存後就是一個inode結構體，文件系統維護了一個索引節點的數組，每一個元素都和文件或者目錄一一對應。

（3）主設備號：如上面的999，表示設備的類型，好比該設備是lcd仍是usb等

（4）次設備號：如上面的0，表示該類設備上的不一樣設備

（5）文件（普通文件或設備文件）的三個結構

        ①文件操做：struct file_operations

        ②文件對象：struct file

        ③文件索引節點：struct inode

關於驅動程序中內存映射的實現，先了解一下open和close的流程

（1）設備驅動open流程

①應用程序調用open("/dev/mmap_driver", O_RDWR);

②Open就會經過VFS找到該設備的索引節點（inode），mknod的時候會根據設備號把驅動程序的file_operations結構填充到索引節點中（關於mknod /dev/mmap_driver c 999 0，這條指令建立了設備文件，在安裝驅動（insmod）的時候，會運行驅動程序的初始化程序（module_init），在初始化程序中，會註冊它的主設備號到系統中（cdev_add），若是mknod時的主設備號999在系統中不存在，即和註冊的主設備號不一樣，則上面的指令會執行失敗，就建立不了設備文件）

③而後根據設備文件的索引節點中的file_operations中的open指針，就調用驅動的open方法了。

④生成一個文件對象files_struct結構，系統維護一個files_struct的鏈表，表示系統中全部打開的文件

⑤返回文件描述符fd，把fd加入到進程的文件描述符表中

（2）設備驅動close流程

應用程序調用close(fd)，最終可調用驅動的close，爲何根據一個簡單的int型fd就能夠找到驅動的close函數？這就和上面說的三個結構（struct file_operations、struct file、struct inode）息息相關了，假如fd = 3

（3）設備驅動mmap流程

由open和close得知，同理，應用程序調用mmap最終也會調用到驅動程序中mmap方法

①應用程序test.mmap.c中mmap函數

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

addr：映射後虛擬地址的起始地址，一般爲NULL，內核自動分配

length：映射區的大小

prot：頁面訪問權限（PROT_READ、PROT_WRITE、PROT_EXEC、PROT_NONE）

flags：參考網絡資料

fd：文件描述符

offset：文件映射開始偏移量

②驅動程序的mmap_driver.c中mmap函數

上面說了，mmap的主要工做是把設備地址映射到進程虛擬地址，也便是一個vm_area_struct的結構體，這裏說的映射，是一個很懸的東西，那它在程序中的表現是什麼呢？——頁表，沒錯，就是頁表，映射就是要創建頁表。進程地址空間就能夠經過頁表（軟件）和MMU（硬件）映射到設備地址上了

virt_to_phys(buf)，buf是在open時申請的地址，這裏使用virt_to_phys把buf轉換成物理地址，是模擬了一個硬件設備，即把虛擬設備映射到虛擬地址，在實際中能夠直接使用物理地址。

總結

①從以上看到，內核各個模塊錯綜複雜、相互交叉

②單純一個小小驅動模塊，就涉及了進程管理（進程地址空間）、內存管理（頁表與頁幀映射）、虛擬文件系統（structfile、structinode）

③並非全部設備驅動均可以使用mmap來映射，好比像串口和其餘面向流的設備，而且必須按照頁大小進行映射。