[linux-nopage]内存映射虚拟字符设备驱动【P119】

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目的：内核空间映射到用户空间

一个虚拟字符设备驱动程序，将内核空间映射到用户空间

找到内核地址对应的物理地址
建立新的用户表项

环境：Ubuntu 20.04 linux内核源码5.11.0-37-generic(版本自选)

在这里插入图片描述

实验结果

这是最终的实验结果图，中间出现了很多错误结果【错误过程在错误分析】

实验知识点

加载内核模块是什么意思

将自己编写的驱动程序加载到内核当中，linux强大在一切皆文件，实现高类聚低耦合的特点，模块封装
给linux无限可能的机会

如何加载

实验难点

没接触过linux 编译，前期知识点
Makefile 文件的作用
1. 类似脚本，将编译的大部分内容写在Makefile文件内（该文件要和编译的.c文件在同一个目录下）
  刚开是只有
  
  这三个文件，其他文件大部分是经过make 编译产生的
  
  这是教程的一张图，解释大部分内容对应我下面的Makefile 文件内容
make 指令的作用
1. make 会进入Makefile 文件；根据Makefile 进行编译
  根据Makefile文件编译源代码、连接、生成目标文件、可执行文件。简单理解就是执行Makefile这个脚本；

向内核添加模块:

编写驱动程序文件
将驱动文件放置到linux 内核源码相应的目录下
在目录Kconfig 文件中添加新驱动程序对应的项目编译选择
在目录Makefile文件中添加新的驱动程序编译语句
怎么编译进内核

根据Makefile 指定的内核地址进入到内核中；

这是我调试错误过程的一种图，看见执行make先进入指定的内核地址，内核内也有Makefile文件；
定位到140行：
中间花费了一点时间在这里调试，后期发现主要bug不在这里；

主要bug 还是因为没有安装gcc
这里花费时间是因为一开始我检测系统发现已经有gcc，后来在编译文件才发现系统的gcc不能用，前两个是系统自带的。才导致我花了大量时间
最后一个是我后来安装上的 sudo apt install gcc
在这里插入图片描述

遇到错误怎么排错

google baidu 教材

课本的指令是什么意思

make # 编译
insmod xxx.ko # 根据编译结果会产生.ko文件，此时会执行module_init(xxx)函数

通过命令 dmesg | tail 最后几行可以发现经过insmod 之后进入init函数
前两句是插入的模块未在模块树内，也就是外来模块会提示这一消息，学习过程可以忽略；

实验代码

nopage.c

#include <linux/init.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h> 
 
#include <linux/fs.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/fcntl.h>
 
#include <linux/vmalloc.h> //空间分配到堆
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/io.h>
 
#include <asm/page.h>
#include <linux/mm.h> //重点学习
 
#define MMAPNOPAGE_DEV_NAME "nopage" //字符设备名称
#define MMAPNOPAGE_DEV_MAJOR 92 //字符设备号
 
#define SHARE_MEM_PAGE_COUNT 4 //共享页数
#define SHARE_MEM_SIZE (PAGE_SIZE*SHARE_MEM_PAGE_COUNT)
 
char *share_memory=NULL;
 
 
 
vm_fault_t mmapnopage_vm_fault(struct vm_fault *vmf) //这个函数跟之前版本的函数不同，这个形参只有一个，这个要在mm.h下查看才能确定不同版本不同
{
		struct page *page;
		unsigned long offset;
		void *page_ptr;
 		struct vm_area_struct *vma=vmf->vma; //早期版本该变量时形参，现在已经在vm_fault 结构体内定义直接使用
		printk("\n");
		printk("%-25s %08x\n","1)vma->flags",vmf->flags);
		printk("%-25s %08lx\n","2)vmf->pgoff",vmf->pgoff);
		printk("%-25s %08lx\n","3)vmf->virtual_address",vmf->address); // 虚拟存储区中断地址变量为address 更之前也有差别，在mm.h 下可以找到对应 变量为long unsigned int 跟之前的有区别
		printk("%-25s %08lx\n","4)vma->vm_start",vma->vm_start);
		printk("%-25s %08lx\n","5)vma->vm_end",vma->vm_end);
		printk("%-25s %08lx\n","6)vma->vm_pgoff",vma->vm_pgoff);
		/*printk("%-25s %d\n","7)PAGE_SHIFT",PAGE_SHIFT);*/
 
		page_ptr=NULL;
 
		if((NULL==vma)||(NULL==share_memory)){
				printk("return VM_FAULT_SIGBUS!\n");
				return VM_FAULT_SIGBUS;
		}
 
		offset=vmf->address-vma->vm_start; //偏移量
 
		if(offset>=SHARE_MEM_SIZE){
				printk("return VM_FAULT_SIGBUS!");
				return VM_FAULT_SIGBUS;
		}
 
		page_ptr=share_memory+offset;
		page=vmalloc_to_page(page_ptr);
		get_page(page);
 
		vmf->page=page;
 
		return 0;
}
 
struct vm_operations_struct mmapnopage_vm_ops={
		.fault=mmapnopage_vm_fault, //中断
};
 
int mmapnopage_mmap(struct file *filp,struct vm_area_struct *vma)
{
		vma->vm_flags |= VM_NORESERVE; //缺页映射
		vma->vm_ops=&mmapnopage_vm_ops;
		return 0;
}
 
struct file_operations mmapnopage_fops={ //文件操作
		.owner=THIS_MODULE, 
		.mmap=mmapnopage_mmap,
};
 
int mmapnopage_init(void) //执行insmod 时进入这个函数
{
		int lp;
		int result;
 
		result=register_chrdev(MMAPNOPAGE_DEV_MAJOR,
						MMAPNOPAGE_DEV_NAME,
						&mmapnopage_fops);
		if(result<0){
		printk("regist fails!");
				return result;
		}
 
		share_memory=vmalloc(SHARE_MEM_SIZE);
		for(lp=0;lp<SHARE_MEM_PAGE_COUNT;lp++){
				sprintf(share_memory+PAGE_SIZE*lp,"TEST %d",lp); //向字符设备写入信息
		}
		
		printk("registing...!");
		return 0;
}
 
void mmapnopage_exit(void) //执行rmmod 时进入该函数
{
		if(share_memory!=NULL){
				vfree(share_memory);
		}
		unregister_chrdev(MMAPNOPAGE_DEV_MAJOR,
						MMAPNOPAGE_DEV_NAME);
}
 
module_init(mmapnopage_init);
module_exit(mmapnopage_exit);
 
MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

Makefile

下面的Makefile 文件我添加了注释可能在命令后面多了空格，make会识别错误

ifeq ($(KERNELRELEASE),) //搭配上面的教程使用
CONFIG_MODULE_SIG=n //说是为了避开数字签名，加了发现也没用
PWD :=$(shell pwd) //pwd 表示当前工作目录 present work direction
KERSRC := /lib/modules/$(shell uname -r)/build/ //unama -r 指向当前的内核版本

modules:
	$(MAKE) -C $(KERSRC) M=$(PWD) modules // 执行内核模块的编译
moules_install:
	$(MAKE) -C $(KERSRC) M=$(PWD) modules_install // 将模块安装到对应的模块路径只有modules_install 执行才触发
.PHONY: modules modules_install clean //wei
clean:
	-rm -rf *.o *.cmd.* *.ko //删除中间标识文件
else
modules-objs :=nopage.o 
obj-m := nopage.o //将nopage.o 编译为nopage.ko

endif

这个Makefile 和上面是一样的；

ifeq ($(KERNELRELEASE),)
CONFIG_MODULE_SIG=n 
PWD :=$(shell pwd)
KERSRC := /lib/modules/$(shell uname -r)/build/

modules:
	$(MAKE) -C $(KERSRC) M=$(PWD) modules
moules_install:
	$(MAKE) -C $(KERSRC) M=$(PWD) modules_install
.PHONY: modules modules_install clean
clean:
	-rm -rf *.o *.cmd.* *.ko
else
modules-objs :=mmapnopage.o
obj-m := mmapnopage.o

endif

np_test.c

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
 
// #define DEVICE_FILENAME "/dev/mmapnopage"
#define DEVICE_FILENAME "/dev/nopage"

#define SHARE_MEM_PAGE_COUNT 4
#define SHARE_MEM_SIZE (4096*SHARE_MEM_PAGE_COUNT)
 
int main()
{
		int dev;
		int loop;
		char *ptrdata;
 
		dev=open(DEVICE_FILENAME,O_RDWR|O_NDELAY); //设备打开成功，返回句柄大于0
		if(dev < 0)printf("can't open nopage\n");		 // return < 0 fail!				    
		if(dev>=0){
				printf("open file success!\n");
				ptrdata=(char*)mmap(0,
								SHARE_MEM_SIZE,
								PROT_READ|PROT_WRITE,
								MAP_SHARED,
								dev,
								0);
				for(loop=0;loop<SHARE_MEM_PAGE_COUNT;loop++){
						printf("[%-10s----%s]\n",ptrdata+4096*loop,ptrdata+4096*loop);
				}
				munmap(ptrdata,SHARE_MEM_SIZE);
				close(dev);
		}
		return 0;
}