Linux设备驱动之mmap设备操作

1.mmap系统调用

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

功能：负责把文件内容映射到进程的虚拟地址空间，通过对这段内存的读取和修改来实现对文件的读取和修改，而不需要再调用read和write；
参数：addr：映射的起始地址，设为NULL由系统指定；
len：映射到内存的文件长度；
prot：期望的内存保护标志，不能与文件的打开模式冲突。PROT_EXEC,PROT_READ,PROT_WRITE等；
flags：指定映射对象的类型，映射选项和映射页是否可以共享。MAP_SHARED，MAP_PRIVATE等；
fd：由open返回的文件描述符，代表要映射的文件；
offset：开始映射的文件的偏移。
返回值：成功执行时，mmap()返回被映射区的指针。失败时，mmap()返回MAP_FAILED。

mmap映射图：

2.解除映射：
　int munmap(void *start, size_t length);

3.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：

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）。*/

4.mmap设备操作：
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。

int remap_pfn_range(struct vm_area_struct *vma, unsigned long addr, unsigned long pfn, unsigned long size, pgprot_t prot)；
/**
* remap_pfn_range - remap kernel memory to userspace
* @vma: user vma to map to：内核找到的虚拟地址区间
* @addr: target user address to start at：要关联的虚拟地址
* @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
* @size: size of map area
* @prot: page protection flags for this mapping
*
* Note: this is only safe if the mm semaphore is held when called.
*/

（2）使用nopage VMA方法每次建立一个页表；

 

5.源码分析：

（1）memdev.h

#ifndef _MEMDEV_H_
#define _MEMDEV_H_

#ifndef MEMDEV_MAJOR
#define MEMDEV_MAJOR 0   /*预设的mem的主设备号*/
#endif

#ifndef MEMDEV_NR_DEVS
#define MEMDEV_NR_DEVS 2    /*设备数*/
#endif

#ifndef MEMDEV_SIZE
#define MEMDEV_SIZE 4096
#endif

/*mem设备描述结构体*/
struct mem_dev                                     
{                                                        
  char *data;                      
  unsigned long size;       
};

#endif /* _MEMDEV_H_ */

（2）memdev.c

#include <linux/module.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <asm/io.h>
#include <asm/system.h>
#include <asm/uaccess.h>

#include <linux/kernel.h>
#include "memdev.h"

static int mem_major = MEMDEV_MAJOR;

module_param(mem_major, int, S_IRUGO);

struct mem_dev *mem_devp; /*设备结构体指针*/

struct cdev cdev; 

/*文件打开函数*/
int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    struct mem_dev *dev;
    
    /*获取次设备号*/
    int num = MINOR(inode->i_rdev);

    if (num >= MEMDEV_NR_DEVS) 
            return -ENODEV;
    dev = &mem_devp[num];
    
    /*将设备描述结构指针赋值给文件私有数据指针*/
    filp->private_data = dev;
    
    return 0; 
}

/*文件释放函数*/
int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
  return 0;
}
static int memdev_mmap(struct file*filp, struct vm_area_struct *vma)
{
      struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/
      
      vma->vm_flags |= VM_IO;
      vma->vm_flags |= VM_RESERVED;

     
      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))
          return  -EAGAIN;
                
      return 0;
}

/*文件操作结构体*/
static const struct file_operations mem_fops =
{
  .owner = THIS_MODULE,
  .open = mem_open,
  .release = mem_release,
  .mmap = memdev_mmap,
};

/*设备驱动模块加载函数*/
static int memdev_init(void)
{
  int result;
  int i;

  dev_t devno = MKDEV(mem_major, 0);

  /* 静态申请设备号*/
  if (mem_major)
    result = register_chrdev_region(devno, 2, "memdev");
  else  /* 动态分配设备号 */
  {
    result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");
    mem_major = MAJOR(devno);
  }  
  
  if (result < 0)
    return result;

  /*初始化cdev结构*/
  cdev_init(&cdev, &mem_fops);
  cdev.owner = THIS_MODULE;
  cdev.ops = &mem_fops;
  
  /* 注册字符设备 */
  cdev_add(&cdev, MKDEV(mem_major, 0), MEMDEV_NR_DEVS);
   
  /* 为设备描述结构分配内存*/
  mem_devp = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL);
  if (!mem_devp)    /*申请失败*/
  {
    result =  - ENOMEM;
    goto fail_malloc;
  }
  memset(mem_devp, 0, sizeof(struct mem_dev));
  
  /*为设备分配内存*/
  for (i=0; i < MEMDEV_NR_DEVS; i++) 
  {
        mem_devp[i].size = MEMDEV_SIZE;
        mem_devp[i].data = kmalloc(MEMDEV_SIZE, GFP_KERNEL);
        memset(mem_devp[i].data, 0, MEMDEV_SIZE);
  }
    
  return 0;

  fail_malloc: 
  unregister_chrdev_region(devno, 1);
  
  return result;
}

/*模块卸载函数*/
static void memdev_exit(void)
{
  cdev_del(&cdev);   /*注销设备*/
  kfree(mem_devp);     /*释放设备结构体内存*/
  unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major, 0), 2); /*释放设备号*/
}

MODULE_AUTHOR("David Xie");
MODULE_LICENSE("GPL");

module_init(memdev_init);
module_exit(memdev_exit);

（3）app-mmap.c

#include <stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/mman.h>

int main()
{
    int fd;
    char *start;
    //char buf[100];
    char *buf;
    
    /*打开文件*/
    fd = open("/dev/memdev0",O_RDWR);
        
    buf = (char *)malloc(100);
    memset(buf, 0, 100);
    start=mmap(NULL,100,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
    
    /* 读出数据 */
    strcpy(buf,start);
    sleep (1);
    printf("buf 1 = %s\n",buf);    

    /* 写入数据 */
    strcpy(start,"Buf Is Not Null!");
    
    memset(buf, 0, 100);
    strcpy(buf,start);
    sleep (1);
    printf("buf 2 = %s\n",buf);

       
    munmap(start,100); /*解除映射*/
    free(buf);
    close(fd);  
    return 0;    
}

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。