Linux驅動IO篇－mmap操作

前言

#我們寫Linux驅動程式和使用者空間互動時，都是透過copy_from_user把使用者空間傳過來的資料進行拷貝，為什麼要這麼做呢？

因為使用者空間是無法直接核心空間資料的，他們映射的是不同的位址空間，只能先將資料拷貝過來，然後再操作。

如果用戶空間需要傳幾MB的資料給內核，那麼原來的拷貝方式顯然效率特別低，也不太現實，那怎麼辦呢？

想想，之所以要拷貝是因為使用者空間不能直接存取核心空間，那如果可以直接存取核心空間的buffer，是不是就解決了。

簡單來說，就是讓一塊實體記憶體擁有兩份映射，即擁有兩個虛擬位址，一個在核心空間，一個在使用者空間。 關係如下：

透過mmap映射就可以實現。

應用層

#應用程式層程式碼很簡單，主要就是透過mmap #系統呼叫進行映射，然後就可以對傳回的位址進行操作。

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的第一個參數是想要映射的起始位址，通常設定為NULL，表示由核心來決定該起始地址。

第二參數是要映射的記憶體空間的大小。

第三個參數PROT_READ | PROT_WRITE表示映射後的空間是可讀可寫的。

第四個參數可填入MAP_SHARED或MAP_PRIVATE：

• MAP_SHARED：多個APP都呼叫mmap映射同一塊記憶體時, 對記憶體的修改大家都可以看到。是說多個APP、驅動程式實際上存取的都是同一塊記憶體。
• MAP_PRIVATE：建立一個copy on write的私有對映。當APP對此記憶體進行修改時，其他程式是看不到這些修改的。就是當APP寫記憶體時, 核心會先建立一個拷貝給這個APP，這個拷貝是這個APP#私有的, 其他APP、驅動無法存取。

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。

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