linux设备驱动之mmap函数

1.用户空间的mmap系统调用

void *mmap(void *start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offsize);
函数的作用：将物理内存的一块区域映射到用户空间，通过用户空间指针的操作来读写物理内存区域的数据。
具体参数含义
start ：  指向欲映射的内存起始地址，通常设为 NULL，代表让系统自动选定地址，映射成功后返回该地址。
length：  代表将文件中多大的部分映射到内存。
prot  ：  映射区域的保护方式。可以为以下几种方式的组合：
                    PROT_EXEC 映射区域可被执行
                    PROT_READ 映射区域可被读取
                    PROT_WRITE 映射区域可被写入
                    PROT_NONE 映射区域不能存取
flags ：  影响映射区域的各种特性。在调用mmap()时必须要指定MAP_SHARED 或MAP_PRIVATE。
                    MAP_FIXED 如果参数start所指的地址无法成功建立映射时，则放弃映射，不对地址做修正。通常不鼓励用此旗标。
                    MAP_SHARED 对映射区域的写入数据会复制回文件内，而且允许其他映射该文件的进程共享。
                    MAP_PRIVATE 对映射区域的写入操作会产生一个映射文件的复制，即私人的“写入时复制”（copy on write）对此区域作的任何修改都不会写回原来的文件内容。
                    MAP_ANONYMOUS建立匿名映射。此时会忽略参数fd，不涉及文件，而且映射区域无法和其他进程共享。
                    MAP_DENYWRITE只允许对映射区域的写入操作，其他对文件直接写入的操作将会被拒绝。
                    MAP_LOCKED 将映射区域锁定住，这表示该区域不会被置换（swap）。
fd    ：  要映射到内存中的文件描述符。如果使用匿名内存映射时，即flags中设置了MAP_ANONYMOUS，fd设为-1。有些系统不支持匿名内存映射，则可以使用fopen打开 /dev/zero文件，然后对该文件进行映射，可以同样达到匿名内存映射的效果。
offset：文件映射的偏移量，通常设置为0，代表从文件最前方开始对应，offset必须是PAGE_SIZE的整数倍。

返回值：
      若映射成功则返回映射区的内存起始地址，否则返回MAP_FAILED(－1)，错误原因存于errno 中。

错误代码：
            EBADF  参数fd 不是有效的文件描述词
            EACCES 存取权限有误。如果是MAP_PRIVATE 情况下文件必须可读，使用MAP_SHARED则要有PROT_WRITE以及该文件要能写入。
            EINVAL 参数start、length 或offset有一个不合法。
            EAGAIN 文件被锁住，或是有太多内存被锁住。
            ENOMEM 内存不足。
用户层的调用很简单，其具体功能就是直接将物理内存直接映射到用户虚拟内存，使用户空间可以直接对物理空间操作。但是对于内核层而言，其具体实现比较复杂。

mmap映射图：

解除映射：

　int munmap(void *start, size_t length);

   这里的start是mmap之前返回的用户空间指针，比如char *buffer = mmap(NULL, length, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, offset);

   则这么接触映射：munmap(buffer, length);

2.mmap内核实现：
虚拟内存区域：
虚拟内存区域是进程的虚拟地址空间中的一个同质区间，即具有同样特性的连续地址范围。一个进程的内存映象由下面几个部分组成：程序代码、数据、BSS和栈区域，以及内存映射的区域。
Linux内核使用vm_area_struct结构来描述虚拟内存区。其主要成员：

[cpp] view plain copy 
  
  

unsigned long vm_start; /* Our start address within vm_mm. */  
 
   
unsigned long vm_end; /* The first byte after our end address within vm_mm. */  
 
   
unsigned long vm_flags; /* Flags, see mm.h. 该区域的标记。如VM_IO（该VMA标记为内存映射的IO区域,会阻止系统将该区域包含在进程的存放转存中）和VM_RESERVED（标志内存区域不能被换出）。*/  
 
  

mmap内核实现
映射一个设备是指把用户空间的一段地址（虚拟地址区间）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。
mmap方法是file_operations结构的成员，在mmap系统调用的发出时被调用。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（虚拟地址和设备的物理地址的关联通过页表）。

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

mmap如何完成页表的建立？（两种方法）
（1）使用remap_pfn_range一次建立所有页表。

[cpp] view plain copy 

1. int remap_pfn_range(struct vm_area_struct *vma, unsigned long addr, unsigned long pfn, unsigned long size, pgprot_t prot)；  
2. /** 
3. * remap_pfn_range - remap kernel memory to userspace 
4. * @vma: user vma to map to：内核找到的虚拟地址区间 
5. * @addr: target user address to start at：要关联的虚拟地址 
6. * @pfn: physical address of kernel memory：要关联的设备的物理地址，也即要映射的物理地址所在的物理帧号，可将物理地址>>PAGE_SHIFT 
7. * @size: size of map area 
8. * @prot: page protection flags for this mapping 
9. * 
10. * Note: this is only safe if the mm semaphore is held when called. 
11. */  

（2）使用nopage VMA方法每次建立一个页表；

源码分析：

（1）memdev.h

[cpp] view plain copy 

1. /*mem设备描述结构体*/  
2. struct mem_dev                                       
3. {                                                          
4.   char *data;                        
5.   unsigned long size;         
6. };  
7.   
8. #endif /* _MEMDEV_H_ */  

（2）memdev.c

[cpp] view plain copy 

1. static int mem_major = MEMDEV_MAJOR;  
2. module_param(mem_major, int, S_IRUGO);  
3. struct mem_dev *mem_devp; /*设备结构体指针*/  
4. struct cdev cdev;   
5. /*文件打开函数*/  
6. int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp)  
7. {  
8.     struct mem_dev *dev;  
9.       
10.     /*获取次设备号*/  
11.     int num = MINOR(inode->i_rdev);  
12.   
13.     if (num >= MEMDEV_NR_DEVS)   
14.             return -ENODEV;  
15.     dev = &mem_devp[num];  
16.       
17.     /*将设备描述结构指针赋值给文件私有数据指针*/  
18.     filp->private_data = dev;  
19.       
20.     return 0;   
21. }  
22. /*文件释放函数*/  
23. int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp)  
24. {  
25.   return 0;  
26. }  
27. static int memdev_mmap(struct file*filp, struct vm_area_struct *vma)  
28. {  
29.       struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/  
30.         
31.       vma->vm_flags |= VM_IO;  
32.       vma->vm_flags |= VM_RESERVED;  
33.   
34.        
35.       if (remap_pfn_range(vma,vma->vm_start,virt_to_phys(dev->data)>>PAGE_SHIFT, vma->vm_end - vma->vm_start, vma->vm_page_prot))  
36.           return  -EAGAIN;  
37.                   
38.       return 0;  
39. }  
40.   
41. /*文件操作结构体*/  
42. static const struct file_operations mem_fops =  
43. {  
44.   .owner = THIS_MODULE,  
45.   .open = mem_open,  
46.   .release = mem_release,  
47.   .mmap = memdev_mmap,  
48. };  
49.   
50. /*设备驱动模块加载函数*/  
51. static int memdev_init(void)  
52. {  
53.   int result;  
54.   int i;  
55.   
56.   dev_t devno = MKDEV(mem_major, 0);  
57.   
58.   /* 静态申请设备号*/  
59.   if (mem_major)  
60.     result = register_chrdev_region(devno, 2, "memdev");  
61.   else  /* 动态分配设备号 */  
62.   {  
63.     result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");  
64.     mem_major = MAJOR(devno);  
65.   }    
66.     
67.   if (result < 0)  
68.     return result;  
69.   
70.   /*初始化cdev结构*/  
71.   cdev_init(&cdev, &mem_fops);  
72.   cdev.owner = THIS_MODULE;  
73.   cdev.ops = &mem_fops;  
74.     
75.   /* 注册字符设备 */  
76.   cdev_add(&cdev, MKDEV(mem_major, 0), MEMDEV_NR_DEVS);  
77.      
78.   /* 为设备描述结构分配内存*/  
79.   mem_devp = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL);  
80.   if (!mem_devp)    /*申请失败*/  
81.   {  
82.     result =  - ENOMEM;  
83.     goto fail_malloc;  
84.   }  
85.   memset(mem_devp, 0, sizeof(struct mem_dev));  
86.     
87.   /*为设备分配内存*/  
88.   for (i=0; i < MEMDEV_NR_DEVS; i++)   
89.   {  
90.         mem_devp[i].size = MEMDEV_SIZE;  
91.         mem_devp[i].data = kmalloc(MEMDEV_SIZE, GFP_KERNEL);  
92.         memset(mem_devp[i].data, 0, MEMDEV_SIZE);  
93.   }  
94.       
95.   return 0;  
96.   
97.   fail_malloc:   
98.   unregister_chrdev_region(devno, 1);  
99.     
100.   return result;  
101. }  
102.   
103. /*模块卸载函数*/  
104. static void memdev_exit(void)  
105. {  
106.   cdev_del(&cdev);   /*注销设备*/  
107.   kfree(mem_devp);     /*释放设备结构体内存*/  
108.   unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major, 0), 2); /*释放设备号*/  
109. }  
110.   
111. MODULE_AUTHOR("David Xie");  
112. MODULE_LICENSE("GPL");  
113.   
114. module_init(memdev_init);  
115. module_exit(memdev_exit);  

（3）app-mmap.c

[cpp] view plain copy 

1. #include <stdio.h>  
2. #include<sys/types.h>  
3. #include<sys/stat.h>  
4. #include<fcntl.h>  
5. #include<unistd.h>  
6. #include<sys/mman.h>  
7.   
8. int main()  
9. {  
10.     int fd;  
11.     char *start;  
12.     //char buf[100];  
13.     char *buf;  
14.       
15.     /*打开文件*/  
16.     fd = open("/dev/memdev0",O_RDWR);  
17.           
18.     buf = (char *)malloc(100);  
19.     memset(buf, 0, 100);  
20.     start=mmap(NULL,100,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);  
21.       
22.     /* 读出数据 */  
23.     strcpy(buf,start);  
24.     sleep (1);  
25.     printf("buf 1 = %s\n",buf);      
26.   
27.     /* 写入数据 */  
28.     strcpy(start,"Buf Is Not Null!");  
29.       
30.     memset(buf, 0, 100);  
31.     strcpy(buf,start);  
32.     sleep (1);  
33.     printf("buf 2 = %s\n",buf);  
34.   
35.          
36.     munmap(start,100); /*解除映射*/  
37.     free(buf);  
38.     close(fd);    
39.     return 0;      
40. }  

测试步骤：

（1）编译安装内核模块：insmod memdev.ko

（2）查看设备名、主设备号：cat /proc/devices

（3）手工创建设备节点：mknod  /dev/memdev0  c  ***  0

　　查看设备文件是否存在：ls -l /dev/* | grep memdev

（4）编译下载运行应用程序：./app-mmap

　　结果：buf 1 = 

　　　　　buf 2 = Buf Is Not Null!

　　总结：mmap设备方法实现将用户空间的一段内存关联到设备内存上，对用户空间的读写就相当于对字符设备的读写；不是所有的设备都能进行mmap抽象，比如像串口和其他面向流的设备就不能做mmap抽象。

转自： http://www.cnblogs.com/geneil/archive/2011/12/08/2281222.html