Linux設備驅動之mmap設備操作

原文鏈接：https://www.cnblogs.com/geneil/archive/2011/12/08/2281222.html

1.mmap系統調用

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

功能：負責把文件內容映射到進程的虛擬地址空間，通過對這段內存的讀取和修改來實現對文件的讀取和修改，而不需要再調用read和write；
參數：addr：映射的起始地址，設爲NULL由系統指定；
len：映射到內存的文件長度；
prot：期望的內存保護標誌，不能與文件的打開模式衝突。PROT_EXEC,PROT_READ,PROT_WRITE等；
flags：指定映射對象的類型，映射選項和映射頁是否可以共享。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：開始映射的文件的偏移。
返回值：成功執行時，mmap()返回被映射區的指針。失敗時，mmap()返回MAP_FAILED。

mmap映射圖：

 

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

3.虛擬內存區域：
虛擬內存區域是進程的虛擬地址空間中的一個同質區間，即具有同樣特性的連續地址範圍。一個進程的內存映象由下面幾個部分組成：程序代碼、數據、BSS和棧區域，以及內存映射的區域。
linux內核使用vm_area_struct結構來描述虛擬內存區。其主要成員：

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. 該區域的標記。如VM_IO（該VMA標記爲內存映射的IO區域,會阻止系統將該區域包含在進程的存放轉存中）和VM_RESERVED（標誌內存區域不能被換出）。*/

4.mmap設備操作：
映射一個設備是指把用戶空間的一段地址（虛擬地址區間）關聯到設備內存上，當程序讀寫這段用戶空間的地址時，它實際上是在訪問設備。
mmap方法是file_operations結構的成員，在mmap系統調用的發出時被調用。在此之前，內核已經完成了很多工作。
mmap設備方法所需要做的就是建立虛擬地址到物理地址的頁表（虛擬地址和設備的物理地址的關聯通過頁表）。

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

mmap如何完成頁表的建立？（兩種方法）
（1）使用remap_pfn_range一次建立所有頁表。

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：內核找到的虛擬地址區間
* @addr: target user address to start at：要關聯的虛擬地址
* @pfn: physical address of kernel memory：要關聯的設備的物理地址，也即要映射的物理地址所在的物理幀號，可將物理地址>>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方法每次建立一個頁表；

 

5.源碼分析：

（1）memdev.h

#ifndef _MEMDEV_H_
#define _MEMDEV_H_

#ifndef MEMDEV_MAJOR
#define MEMDEV_MAJOR 0 /*預設的mem的主設備號*/
#endif

#ifndef MEMDEV_NR_DEVS
#define MEMDEV_NR_DEVS 2 /*設備數*/
#endif

#ifndef MEMDEV_SIZE
#define MEMDEV_SIZE 4096
#endif

/*mem設備描述結構體*/
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; /*設備結構體指針*/

struct cdev cdev;

/*文件打開函數*/
int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	struct mem_dev *dev;

	/*獲取次設備號*/
	int num = MINOR(inode->i_rdev);

	if (num >= MEMDEV_NR_DEVS)
		return -ENODEV;
	dev = &mem_devp[num];

	/*將設備描述結構指針賦值給文件私有數據指針*/
	filp->private_data = dev;

	return 0;
}

/*文件釋放函數*/
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; /*獲得設備結構體指針*/

	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;
}

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

/*設備驅動模塊加載函數*/
static int memdev_init(void)
{
	int result;
	int i;

	dev_t devno = MKDEV(mem_major, 0);

	/* 靜態申請設備號*/
	if (mem_major)
		result = register_chrdev_region(devno, 2, "memdev");
	else /* 動態分配設備號 */
	{
		result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");
		mem_major = MAJOR(devno);
	}

	if (result < 0)
		return result;

	/*初始化cdev結構*/
	cdev_init(&cdev, &mem_fops);
	cdev.owner = THIS_MODULE;
	cdev.ops = &mem_fops;

	/* 註冊字符設備 */
	cdev_add(&cdev, MKDEV(mem_major, 0), MEMDEV_NR_DEVS);

	/* 爲設備描述結構分配內存*/
	mem_devp = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL);
	if (!mem_devp) /*申請失敗*/
	{
		result = - ENOMEM;
		goto fail_malloc;
	}
	memset(mem_devp, 0, sizeof(struct mem_dev));

	/*爲設備分配內存*/
	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;
}

/*模塊卸載函數*/
static void memdev_exit(void)
{
	cdev_del(&cdev); /*註銷設備*/
	kfree(mem_devp); /*釋放設備結構體內存*/
	unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major, 0), 2); /*釋放設備號*/
}

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;

    /*打開文件*/
    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);

    /* 讀出數據 */
    strcpy(buf,start);
    sleep (1);
    printf("buf 1 = %s\n",buf);

    /* 寫入數據 */
    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;
}

 

測試步驟：

（1）編譯安裝內核模塊：insmod memdev.ko

（2）查看設備名、主設備號：cat /proc/devices

（3）手工創建設備節點：mknod  /dev/memdev0  c  ***  0

　　查看設備文件是否存在：ls -l /dev/* | grep memdev

（4）編譯下載運行應用程序：./app-mmap

　　結果：buf 1 = 

　　　　　buf 2 = Buf Is Not Null!

 

　　總結：mmap設備方法實現將用戶空間的一段內存關聯到設備內存上，對用戶空間的讀寫就相當於對字符設備的讀寫；不是所有的設備都能進行mmap抽象，比如像串口和其他面向流的設備就不能做mmap抽象。