1. 內存映射

所謂的內存映射就是把物理內存映射到進程的地址空間之內，這些應用程序就可以直接使用輸入輸出的地址空間，從而提高讀寫的效率。Linux提供了mmap()函數，用來映射物理內存。

在驅動程序中，應用程序以設備文件為對象，調用mmap()函數，內核進行內存映射的準備工作，生成vm_area_struct結構體，然后調用設備驅動程序中定義的mmap函數。

2. 映射的種類

把同一個物理地址映射為虛擬地址有兩種方法，第一種是mmap()函數將物理地址映射到進程的虛擬地址空間中去，第二種方法為ioremap()函數映射到內核虛擬地址上的方法。

應用程序中的mmap函數:

void *mmap(void *start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offset);

start 映射到進程空間的虛擬地址

length 映射空間的大小

prot 映射到內存的讀寫權限

flags flags可取MAP_SHARED,MAP_PRIVATE,MAP_FIXED,如果是MAP_SHARED,此進程對映射空間的內容修改會影響到其它的進程，即對其它的進程可見，而MAP_PRIVATE，此進程修改的內容對其它的進程不可見

fd? 要映射文件的文件標識符

offset 映射文件的位置，一般從頭開始。而在設備文件中，表示映射物理地址的起始地址

設備驅動程序的mmap函數：

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

首先調用應用程序的mmap函數，然后內核進行適當處理之后，進行相應的內存映射，即生成vm_area_struct結構體，然后傳遞給設備驅動程序的mmap函數。

關于vma中的一些參數說明:

(1)unsigned long vm_start 映射到進程空間的起始地址

(2)unsigned long vm_end?? 映射到進程空間的結束地址

(3)unsigned long vm_flags? 即包含在應用程序中mmap中的flags值,如VM_READ,VM_WRITE,VM_SHARED,VM_EXEC

(4)unsigned long vm_pgoff 映射到物理內存的偏移量

mmap映射的方法:

有兩種方法建立頁表，一次性建立頁表，可以調用函數remap_pfn_range和每次建立一個頁的頁表，調用函數nopage。

remap_pfn_range:

這個函數的功能是一次性建立新的頁表去映射物理地址。

int remap_pfn_range(struct vma_area_struct* vma,unsigned long virt_addr,unsigned long pfn,unsigned long size,pgprot_t prot);

返回值:映射成功時返回0，否則返回一個錯誤的負數代碼。

vma 物理地址被映射到的虛擬內存區域

virt_addr 被映射到進程空間的起始虛擬地址。頁表建立的范圍在virt_addr到virt_addr+size

pfn 對應物理地址的頁框號，一般是vma->vm_pgoff域。

size 被映射區域的字節大小

prot? vma->vm_page_prot

nopage：

struct page *(*nopage) (struct vm_area_struct *vma,unsigned long address,int *type);

vm_area_struct:虛擬內存區域

address:發生page fault的進程空間的虛擬地址

type? page fault的處理類型

get_page(struct page* pageptr);

增加被映射頁的使用次數。

3. remap_pfn_range與nopage的區別

(1)remap_pfn_range一次性建立頁表,而nopage通過缺頁中斷找到內核虛擬地址，然后通過內核虛擬地址找到對應的物理頁

(2)remap_pfn_range函數只對保留頁和物理內存之外的物理地址映射，而對常規RAM，remap_pfn_range函數不能映射，而nopage函數可以映射常規的RAM。

4. 例子

下面的例子分別采用remap_pfn_range與nopage建立內存映射

驅動程序memap.c:

#include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #define SHARE_MEM_COUNT 4

#define SHARE_MEM_SIZE (PAGE_SIZE*SHARE_MEM_COUNT)

MODULE_LICENSE("GPL");

static char* reserve_virt_addr;

static int major;

char* share_memory=NULL;

int mmapdrv_open(struct inode*,struct file* filp); //驅動程序的open函數

int mmapdrv_release(struct inode*,struct file* filp);//驅動程序的release函數

int mmapdrv_mmap(struct file* file,struct vm_area_struct*vma);//驅動程序中的mmap函數

void simple_vma_open(struct vm_area_struct* vma );//vm_operations_struct對vma(虛擬內存區域)打開函數

void simple_vma_close(struct vm_area_struct *vma);//vma的關閉函數

struct page* simple_vma_nopage(struct vm_area_struct* vma,unsigned long address,int *type);//nopage映射

struct page* simple_vma_nopage1(struct vm_area_struct* vma,unsigned long address,int *type);

static int simple_nopage_mmap(struct file* filp,struct vm_area_struct *vma);//驅動程序中的mmap與上面的mmap可選擇其一

static struct file_operations mmapdrv_fops={

owner:THIS_MODULE,

mmap:simple_nopage_mmap,

open: mmapdrv_open,

release:mmapdrv_release,

};

static struct vm_operations_struct simple_remap_vm_ops={

.open=simple_vma_open,

.close=simple_vma_close,

.nopage=simple_vma_nopage1,

};

static int __init memc_init(void){

if((major=(register_chrdev(0,"mapdrv",&mmapdrv_fops)))<0){

printk("register mapdrv failure/n");

return -EIO;

}

printk("register success,major=%d/n",major);

share_memory=vmalloc(SHARE_MEM_SIZE);//通過vmalloc分配內存，返回的是內核虛擬地址,然后將物理內存映射到進程的虛擬地址空間上去

int lp;

for(lp=0;lpsprintf(share_memory+PAGE_SIZE*lp,"Test %d",lp);

}

return 0;

}

static void __exit memc_exit(void){

if(reserve_virt_addr){

iounmap(reserve_virt_addr);

}

unregister_chrdev(major,"mapdrv");

return;

}

int mmapdrv_open(struct inode* inode,struct file* filp){

//MOD_INC_USE_COUNT;

return 0;

}

int mmapdrv_release(struct inode* inode,struct file* filp){

//MOD_DEC_USE_COUNT;

return(0);

}

//remap_pfn_range一次性建立頁表進行映射

int mmapdrv_mmap(struct file* filp,struct vm_area_struct *vma){

printk("vm_pgoff=0x%lx/n",vma->vm_pgoffvm_start);//進程地址空間的起始地址

printk("vm_end=0x%lx/n",vma->vm_end);//進程地址空間的結束地址

printk("vm_flags=0x%lx/n",vma->vm_flags);

unsigned long physical=vma->vm_pgoffvm_end-vma->vm_start; //映射的空間長度

vma->vm_flags|=VM_RESERVED;//remap只能對VM_RESERVED和物理內存之外的內存進行映射

vma->vm_flags|=VM_IO;

if(remap_pfn_range(vma,vma->vm_start,vma->vm_pgoff,size,PAGE_SHARED)){

printk("remap page range failed/n");

return -ENXIO;

}

printk("remap page range success/n");

return 0;

}

//nopage映射

static int simple_nopage_mmap(struct file* filp,struct vm_area_struct *vma){

unsigned long offset=vma->vm_pgoff=__pa(high_memory)||(filp->f_flags&O_SYNC)){

vma->vm_flags|=VM_IO;

}

vma->vm_flags|=VM_RESERVED;

vma->vm_ops=&simple_remap_vm_ops;//當發生page fault時會調用nopage函數進行缺頁處理

simple_vma_open(vma);

return 0;

}

void simple_vma_open(struct vm_area_struct *vma){

printk(KERN_NOTICE "simple VMA open virt %lx,phys %lx/n",vma->vm_start,vma->vm_pgoff

void simple_vma_close(struct vm_area_struct *vma){

printk(KERN_NOTICE "Simple VMA close./n");

}

//simple_vma_nopage是通過物理地址找到page,而simple_vma_nopage1通過內核虛擬地址找到page, 即vmalloc返回的內核虛擬地址

struct page* simple_vma_nopage(struct vm_area_struct* vma,unsigned long address,int *type){

printk("call nopage method/n");

struct page* pageptr;

unsigned long offset=vma->vm_pgoff

long physaddr=address-vma->vm_start+offset;

//address是缺頁進程地址空間的虛擬地址，vm_start是進程地址空間的起始映射地址,address-

vma->vm_start+offset要映射的物理地址

unsigned long pageframe=physaddr>>PAGE_SHIFT;

printk("offset is %lx, physaddr is %lx,pageframe is %lx/n",offset,physaddr,pageframe);

if(!pfn_valid(pageframe))

return NOPAGE_SIGBUS;

pageptr=pfn_to_page(pageframe);//根據頁框號，得到page

if(type)

*type=VM_FAULT_MINOR;

printk("pageptr is %lx/n",(unsigned long)pageptr);

return pageptr;

}

//首先根據page fault的進程地址空間的address找到內核虛擬地址，然后根據內核虛擬地址，即vmalloc返回的地址找到相對應的page

//對于address-vma->vm_start地址范圍的內容是通過vmalloc()+address-

vma->vm_start找到相應的頁取得的，所以對于用戶空間address-vma->vm_start存儲的內容就是

vmalloc()+address-vma->vm_start對應頁的內容

struct page* simple_vma_nopage1(struct vm_area_struct* vma,unsigned long address,int *type){

struct page *page;

unsigned long offset1;

void *page_ptr;

unsigned long offset=vma->vm_pgoffvm_start+offset;

unsigned long pageframe=physaddr>>PAGE_SHIFT;

printk("vm_pgoff

is %lx, PAGE_SHIFT is %lx,PAGE_SIZE is %lx,offset is %lx, physaddr is

%lx,pageframe is %lx/n",vma->vm_pgoff,PAGE_SHIFT,(unsigned

long)PAGE_SIZE,offset,physaddr,pageframe);

offset1=address-vma->vm_start; //映射的進程地址空間的偏移

if(offset1>=SHARE_MEM_SIZE)return NOPAGE_SIGBUS;

page_ptr=share_memory+offset1;//對應的缺頁的內核虛擬地址

printk("address

is %lx,vma->vm_start is %lx,offset1 is %lx,share_memory is

%lx,page_ptr is %lx/n",address,vma->vm_start,offset1,(unsigned long

)share_memory,(unsigned long)page_ptr);

page=vmalloc_to_page(page_ptr);

get_page(page);//增加該頁的使用計數

if(type) *type=VM_FAULT_MINOR;

return page;

}

module_init(memc_init);

module_exit(memc_exit);

測試程序:

test.c

#include #include #include #include #include #include #include #define SHARE_MEM_COUNT 4

#define SHARE_MEM_SIZE (4096*SHARE_MEM_COUNT)

int main(){

int fd;

char *data;

int loop;

fd=open("/dev/mapdrv",O_RDWR|O_NDELAY);

if(fd>=0){

data=(char*)mmap(0,SHARE_MEM_SIZE,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);

printf("data is %lx/n",(unsigned long)data);

printf("[%s]/n",data+4096*loop);

}

munmap(data,SHARE_MEM_SIZE);

close(fd);

}

return 0;

}

運行:

(1)將memap.c與test.c文件放到/usr/src/kernels/linux-2.6.20/drivers/char目錄下。

并在Makefile文件中添加obj-m? +=memap.o

(2)返回到/usr/src/kernels/linux-2.6.20下make.

(3)插入模塊insmod memap.ko,然后 mknod /dev/globalvar c 252 0

252是動態生成的major值。

(4)編譯test gcc -o test test.c

(5)./test，可以打印出寫入的值。

[Test 0]

[Test 1]

[Test 2]

[Test 3]

總結:

1.對于mmap的內存映射，是將物理內存映射到進程的虛擬地址空間中去，那么進程對文件的訪問就相當于直接對內存的訪問，從而加快了讀寫操作的效

率。在這里，remap_pfn_range函數是一次性的建立頁表，而nopage函數是根據page

fault產生的進程虛擬地址去找到內核相對應的邏輯地址，再通過這個邏輯地址去找到page。完成映射過程。remap_pfn_range不能對常規

內存映射，只能對保留的內存與物理內存之外的進行映射。

2.在這里，要分清幾個地址，一個是物理地址，這個很簡單，就是物理內存的實際地址。第二個是內核虛擬地址，即內核可以直接訪問的地址，如

kmalloc,vmalloc等內核函數返回的地址，kmalloc返回的地址也稱為內核邏輯地址。內核虛擬地址與實際的物理地址只有一個偏移量。第三

個是進程虛擬地址，這個地址處于用戶空間。而對于mmap函數映射的是物理地址到進程虛擬地址，而不是把物理地址映射到內核虛擬地址。而ioremap函

數是將物理地址映射為內核虛擬地址。

3.用戶空間的進程調用mmap函數，首先進行必要的處理，生成vma結構體，然后調用remap_pfn_range函數建立頁表。而用戶空間的

mmap函數返回的是映射到進程地址空間的首地址。所以mmap函數與remap_pfn_range函數是不同的，前者只是生成mmap，而建立頁表通

過remap_pfn_range函數來完成。

總結

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