Linux驱动IO篇——mmap操作

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平时我们写Linux驱动和用户空间交互时，都是通过copy_from_user把用户空间传过来的数据进行拷贝，为什么要这么做呢？

前言

因为用户空间是不能直接内核空间数据的，他们映射的是不同的地址空间，只能先将数据拷贝过来，然后再操作。

如果用户空间需要传几MB的数据给内核，那么原来的拷贝方式显然效率特别低，也不太现实，那怎么办呢？

想想，之所以要拷贝是因为用户空间不能直接访问内核空间，那如果可以直接访问内核空间的buffer，是不是就解决了。

简单来说，就是让一块物理内存拥有两份映射，即拥有两个虚拟地址，一个在内核空间，一个在用户空间。关系如下：

Linux IO Device Driver MMAP 1

通过mmap映射就可以实现。

应用层

应用层代码很简单，主要就是通过mmap系统调用进行映射，然后就可以对返回的地址进行操作。

char * buf;
/* 1. 打开文件 */
 fd = open("/dev/hello", O_RDWR);
 if (fd == -1)
 {
      printf("can not open file /dev/hello\n");
      return -1;
 }

/* 2. mmap
       * MAP_SHARED  : 多个APP都调用mmap映射同一块内存时, 对内存的修改大家都可以看到。
       *               就是说多个APP、驱动程序实际上访问的都是同一块内存
       * MAP_PRIVATE : 创建一个copy on write的私有映射。
       *               当APP对该内存进行修改时，其他程序是看不到这些修改的。
       *               就是当APP写内存时, 内核会先创建一个拷贝给这个APP,
       *               这个拷贝是这个APP私有的, 其他APP、驱动无法访问。
       */
buf =  mmap(NULL, 1024*8, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);

mmap的第一个参数是想要映射的起始地址，通常设置为NULL，表示由内核来决定该起始地址。

第二参数是要映射的内存空间的大小。

第三个参数PROT_READ | PROT_WRITE表示映射后的空间是可读可写的。

第四个参数可填MAP_SHARED或MAP_PRIVATE：

  • MAP_SHARED：多个APP都调用mmap映射同一块内存时, 对内存的修改大家都可以看到。就是说多个APP、驱动程序实际上访问的都是同一块内存。
  • MAP_PRIVATE：创建一个copy on write的私有映射。当APP对该内存进行修改时，其他程序是看不到这些修改的。就是当APP写内存时, 内核会先创建一个拷贝给这个APP，这个拷贝是这个APP私有的, 其他APP、驱动无法访问。

驱动层

驱动层主要是实现mmap接口，而mmap接口的实现，主要是调用了remap_pfn_range函数，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);

vma：描述一片映射区域的结构体指针 addr：要映射的虚拟地址起始地址 pfn：物理内存所对应的页框号，就是将物理地址除以页大小得到的值 size：映射的大小 prot：该内存区域的访问权限

驱动主要步骤：

  1. 使用kmalloc或者kzalloc函数分配一块内存kernel_buf，因为这样分配的内存物理地址是连续的，mmap后应用层会对这一个基地址去访问这块内存。

  2. 实现mmap函数

static int hello_drv_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma)
{
 /* 获得物理地址 */
 unsigned long phy = virt_to_phys(kernel_buf);//kernel_buf是内核空间分配的一块虚拟地址空间
    
    /* 设置属性：cache, buffer*/
 vma->vm_page_prot = pgprot_writecombine(vma->vm_page_prot);
    
    /* map */
    if(remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, phy>>PAGE_SHFIT,
                      vma->vm_end - vma->start, vma->vm_page_prot)){
 printk("mmap remap_pfn_range failed\n");
    return -ENOBUFS;
 }
 return 0;
}

static struct file_operations my_fops = {
 .mmap = hello_drv_mmap,
};
  1. 通过virt_to_phys将虚拟地址转为物理地址，这里的kernel_buf是内核空间的一块虚拟地址空间
  2. 设置属性：不使用cache，使用buffer
  3. 映射：通过remap_pfn_range函数映射，phy»PAGE_SHIFT其实就是按page映射，除了这个参数，其他的起始地址、大小和权限都可以由用户在系统调用函数中指定。

当应用层调用mmap后，就会调用到驱动层的mmap函数，最终应用层的虚拟地址和驱动中的物理地址就建立了映射关系，应用层也就可以直接访问驱动的buffer了。