應用程序和驅動程序之間傳遞數據時，可以通過read、write函數進行。這涉及在用戶態buffer和內核態buffer之間傳數據，如下圖所示：
應用程序不能直接讀寫驅動程序中的buffer，需要在用戶態buffer和內核態buffer之間進行一次數據拷貝。這種方式在數據量比較小時沒什麼問題；但是數據量比較大時效率就太低了。比如更新LCD顯示時，如果每次都讓APP傳遞一幀數據給內核，假設LCD採用102460032bpp的格式，一幀數據就有102460032/8=2.3MB左右，這無法忍受。
改進的方法就是讓程序可以直接讀寫驅動程序中的buffer，這可以通過mmap實現(memory map)，把內核的buffer映射到用戶態，讓APP在用戶態直接讀寫。
1.內存映射現象與數據結構
假設有這樣的程序，名爲test.c：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int a;
int main(int argc, char **argv)
{
printf("enter a's value: \n");
scanf("%d", &a);
printf("a's address = 0x%x, a's value = %d\n", &a, a);
while (1)
{
sleep(10);
}
return 0;
}
在ubuntu上如下編譯：
gcc -o test test.c -static
在2個終端中分別執行test程序，在第3個終端執行ps -a，可以看到這2個程序同時存在，如下圖：
觀察到這些現象：
① 2個程序同時運行，它們的變量a的地址都是一樣的：0x6d73c0；
② 2個程序同時運行，它們的變量a的值是不一樣的，一個是12，另一個是123。
疑問來了：
① 這2個程序同時在內存中運行，它們在內存中的地址肯定不同，比如變量a的地址肯定不同；
② 但是打印出來的變量a的地址卻是一樣的。
怎麼回事？
這裏要引入虛擬地址的概念：CPU發出的地址是虛擬地址，它經過MMU(Memory Manage Unit，內存管理單元)映射到物理地址上，對於不同進程的同一個虛擬地址，MMU會把它們映射到不同的物理地址。如下圖：
當前運行的是app1時，MMU會把CPU發出的虛擬地址addr映射爲物理地址paddr1，用paddr1去訪問內存。
當前運行的是app2時，MMU會把CPU發出的虛擬地址addr映射爲物理地址paddr2，用paddr2去訪問內存。
MMU負責把虛擬地址映射爲物理地址，虛擬地址映射到哪個物理地址去？映射關係保存在頁表中：
解析如下：
① 每個APP在內核中都有一個task_struct結構體，它用來描述一個進程；
② 每個APP都要佔據內存，在task_struct中用mm_struct來管理進程佔用的內存；
內存在虛擬地址、物理地址，mm_struct中用mmap來描述虛擬地址，用pgd來描述對應的物理地址。
注意：pgd，Page Global Directory，頁目錄。
③ 每個APP都有一系列的VMA：virtual memory
比如APP含有代碼段、數據段、BSS段、棧等等，還有共享庫。這些單元會保存在內存裏，它們的地址空間不同，權限不同(代碼段是隻讀的可運行的、數據段可讀可寫)，內核用一系列的vm_area_struct來描述它們。
vm_area_struct中的vm_start、vm_end是虛擬地址。
④ vm_area_struct中虛擬地址如何映射到物理地址去？
每一個APP的虛擬地址可能相同，物理地址不相同，這些對應關係保存在pgd中。
2.ARM架構內存映射簡介
ARM架構支持一級頁表映射，也就是說MMU根據CPU發來的虛擬地址可以找到第1個頁表，從第1個頁表裏就可以知道這個虛擬地址對應的物理地址。一級頁表裏地址映射的最小單位是1M。
ARM架構還支持二級頁表映射，也就是說MMU根據CPU發來的虛擬地址先找到第1個頁表，從第1個頁表裏就可以知道第2級頁表在哪裏；再取出第2級頁表，從第2個頁表裏才能確定這個虛擬地址對應的物理地址。二級頁表地址旺射的最小單位有4K、1K，Linux使用4K。
一級頁表項裏的內容，決定了它是指向一塊物理內存，還是指問二級頁表，如下圖：
2.1, 一級頁表映射過程
一線頁表中每一個表項用來設置1M的空間，對於32位的系統，虛擬地址空間有4G，4G/1M=4096。所以一級頁表要映射整個4G空間的話，需要4096個頁表項。
第0個頁表項用來表示虛擬地址第0個1M(虛擬地址爲0～0x1FFFFF)對應哪一塊物理內存，並且有一些權限設置；
第1個頁表項用來表示虛擬地址第1個1M(虛擬地址爲0x100000～0x2FFFFF)對應哪一塊物理內存，並且有一些權限設置；
依次類推。
使用一級頁表時，先在內存裏設置好各個頁表項，然後把頁表基地址告訴MMU，就可以加動MMU了。
以下圖爲例介紹地址映射過程：
① CPU發出虛擬地址vaddr，假設爲0x12345678
② MMU根據vaddr[31:20]找到一級頁表項：
虛擬地址0x12345678是虛擬地址空間裏第0x123個1M，所以找到頁表裏第0x123項，根據此項內容知道它是一個段頁表項。
段內偏移是0x45678。
③ 從這個表項裏取出物理基地址：Section Base Address，假設是0x81000000
④ 物理基地址加上段內偏移得到：0x81045678
所以CPU要訪問虛擬地址0x12345678時，實際上訪問的是0x81045678的物理地址
2.2, 二級頁表映射過程
首先設置好一級頁表、二級頁表，並且把一級頁表的首地址告訴MMU。
以下圖爲例介紹地址映射過程：
① CPU發出虛擬地址vaddr，假設爲0x12345678
② MMU根據vaddr[31:20]找到一級頁表項：
虛擬地址0x12345678是虛擬地址空間裏第0x123個1M，所以找到頁表裏第0x123項。根據此項內容知道它是一個二級頁表項。
③ 從這個表項裏取出地址，假設是address，這表示的是二級頁表項的物理地址；
④ vaddr[19:12]表示的是二級頁表項中的索引index即0x45，在二級頁表項中找到第0x45項；
⑤ 二級頁表項中含有頁基地址page base addr，假設是0x81889000：
它跟vaddr[11:0]組合得到物理地址：0x81889000 + 0x678 = 0x81889678。
所以CPU要訪問虛擬地址0x12345678時，實際上訪問的是0x81889678的物理地址
3, 怎麼給APP新建一塊內存映射
3.1, mmap調用過程
從上面內存映射的過程可以知道，要給APP端新開劈一塊虛擬內存，並且讓它指向某塊內核buffer，我們要做這些事：
① 得到一個vm_area_struct，它表示APP的一塊虛擬內存空間；
很幸運，APP調用mmap系統函數時，內核就幫我們構造了一個vm_area_stuct結構體。裏面含有虛擬地址的地址範圍、權限。
② 確定物理地址：
你想映射某個內核buffer，你需要得到它的物理地址，這得由你提供。
③ 給vm_area_struct和物理地址建立映射關係：
也很幸運，內核提供有相關函數。
APP裏調用mmap時，導致的內核相關函數調用過程如下：
3.2 cache和buffer
本小節參考：
ARM的cache和寫緩衝器（write buffer）
https://blog.csdn.net/gameit/article/details/13169445
使用mmap時，需要有cache、buffer的知識。下圖是CPU和內存之間的關係，有cache、buffer(寫緩衝器)。Cache是一塊高速內存；寫緩衝器相當於一個FIFO，可以把多個寫操作集合起來一次寫入內存。
程序運行時有“局部性原理”，這又分爲時間局部性、空間局部性。
① 時間局部性：
在某個時間點訪問了存儲器的特定位置，很可能在一小段時間裏，會反覆地訪問這個位置。
② 空間局部性：
訪問了存儲器的特定位置，很可能在不久的將來訪問它附近的位置。
而CPU的速度非常快，內存的速度相對來說很慢。CPU要讀寫比較慢的內存時，怎樣可以加快速度？根據“局部性原理”，可以引入cache。
① 讀取內存addr處的數據時：
先看看cache中有沒有addr的數據，如果有就直接從cache裏返回數據：這被稱爲cache命中。
如果cache中沒有addr的數據，則從內存裏把數據讀入，注意：它不是僅僅讀入一個數據，而是讀入一行數據(cache line)。
而CPU很可能會再次用到這個addr的數據，或是會用到它附近的數據，這時就可以快速地從cache中獲得數據。
② 寫數據：
CPU要寫數據時，可以直接寫內存，這很慢；也可以先把數據寫入cache，這很快。
但是cache中的數據終究是要寫入內存的啊，這有2種寫策略：
a. 寫通(write through)：
數據要同時寫入cache和內存，所以cache和內存中的數據保持一致，但是它的效率很低。能改進嗎？可以！使用“寫緩衝器”：cache大哥，你把數據給我就可以了，我來慢慢寫，保證幫你寫完。
有些寫緩衝器有“寫合併”的功能，比如CPU執行了4條寫指令：寫第0、1、2、3個字節，每次寫1字節；寫緩衝器會把這4個寫操作合併成一個寫操作：寫word。對於內存來說，這沒什麼差別，但是對於硬件寄存器，這就有可能導致問題。
所以對於寄存器操作，不會啓動buffer功能；對於內存操作，比如LCD的顯存，可以啓用buffer功能。
b. 寫回(write back)：
新數據只是寫入cache，不會立刻寫入內存，cache和內存中的數據並不一致。
新數據寫入cache時，這一行cache被標爲“髒”(dirty)；當cache不夠用時，才需要把髒的數據寫入內存。
使用寫回功能，可以大幅提高效率。但是要注意cache和內存中的數據很可能不一致。這在很多時間要小心處理：比如CPU產生了新數據，DMA把數據從內存搬到網卡，這時候就要CPU執行命令先把新數據從cache刷到內存。反過來也是一樣的，DMA從網卡得過了新數據存在內存裏，CPU讀數據之前先把cache中的數據丟棄。
是否使用cache、是否使用buffer，就有4種組合(Linux內核文件arch\arm\include\asm\pgtable-2level.h)：
第1種是不使用cache也不使用buffer，讀寫時都直達硬件，這適合寄存器的讀寫。
第2種是不使用cache但是使用buffer，寫數據時會用buffer進行優化，可能會有“寫合併”，這適合顯存的操作。因爲對顯存很少有讀操作，基本都是寫操作，而寫操作即使被“合併”也沒有關係。
第3種是使用cache不使用buffer，就是“write through”，適用於只讀設備：在讀數據時用cache加速，基本不需要寫。
第4種是既使用cache又使用buffer，適合一般的內存讀寫。
3.3, 驅動程序要做的事
驅動程序要做的事情有3點：
① 確定物理地址
② 確定屬性：是否使用cache、buffer
③ 建立映射關係
參考Linux源文件，示例代碼如下：
還有一個更簡單的函數：
4,驅動編程
我們在驅動程序中申請一個8K的buffer，讓APP通過mmap能直接訪問。
① 使用哪一個函數分配內存？
我們應該使用kmalloc或kzalloc，這樣得到的內存物理地址是連續的，在mmap時後APP纔可以使用同一個基地址去訪問這塊內存。(如果物理地址不連續，就要執行多次mmap了)。
關鍵代碼現場編寫，再完善文檔。
可以加羣與韋東山老師交流:
