linux驱动之mmap地址映射

应用场景

首先在linux中应用程序无法是直接访问驱动程序的数据的, 需要通过 copy_to_user 和 copy_from_user才能实现数据传输, 那么数据量大了以后如LCD的数据, 那么就会有很长的耗时, 为了解决这一问题, 引入mmap, 将底层物理地址映射出来, 让应用程序得以直接读写这一块内存. mmap的使用说白了, 很简单:
1, 有块虚拟地址
2, 找到要用的那块物理地址
3, 建立映射

内核应用程序开辟的虚拟地址

内核将每个进程都作为一个task_struct结构体存在一个双向循环链表中, 结构体在 include/linux/sched.h中定义. 其中有个struct mm_struct *mm成员, 记录着这个进程的虚拟地址的信息.duan0
在mm_struct中, struct vm_area_struct mmap 链表保存了每一块应用程序虚拟地址(堆空间, 栈空间, bss区, data常量空间, text代码0段)的起始位置和结束位置. 当然虚拟地址不可能是凭空产生, 自然是要有一块相应的物理地址来对应, 这一块物理地址就保存在pgd_t * pgd* 这个成员变量中叫做页目录表, pgd成员记录了对应的物理地址, 也记录了如何映射

进程启动时虚拟地址内核已经帮我们做好了, 当一段程序运行时,便开辟了一块4G虚拟地址(在32位系统中), 在linux中可以在 /proc/进程号/maps 来查看这个进程用到的虚拟地址

页表

将虚拟地址的某一段转换成物理地址的话, 就需要在页表pgd中添加一个页表项.
页表项的内容是个32位的数据, 如下图

ARM架构内存映射:
RM架构支持一级页表映射，也就是说MMU根据CPU发来的虚拟地址可以找到第1个页表，从第1个页表里就可以知道这个虚拟地址对应的物理地址。一级页表里地址映射的最小单位是1M。
ARM架构还支持二级页表映射，也就是说MMU根据CPU发来的虚拟地址先找到第1个页表，从第1个页表里就可以知道第2级页表在哪里；再取出第2级页表，从第2个页表里才能确定这个虚拟地址对应的物理地址。二级页表地址映射的最小单位有4K、1K，Linux使用4K

一级页表映射过程
一线页表中每一个表项用来设置1M的空间，对于32位的系统，虚拟地址空间有4G，4G/1M=4096。所以一级页表要映射整个4G空间的话，需要4096个页表项。
第0个页表项用来表示虚拟地址第0个1M(虚拟地址为0～0xFFFFF)对应哪一块物理内存，并且有一些权限设置；
第1个页表项用来表示虚拟地址第1个1M(虚拟地址为0x100000～0x1FFFFF)对应哪一块物理内存，并且有一些权限设置；

使用一级页表时
① CPU发出虚拟地址vaddr，假设为0x12345678
② MMU根据vaddr[31:20]找到一级页表项：
在[1:0]发现是个一级页表
虚拟地址0x12345678是虚拟地址空间里第0x123个1M，所以找到页表里第0x123项，根据此项内容知道它是一个段页表项。
段内偏移是0x45678。
③ 从这个表项里取出物理基地址：Section Base Address，假设是0x81000000
④ 物理基地址加上段内偏移得到：0x81045678
所以CPU要访问虚拟地址0x12345678时，实际上访问的是0x81045678的物理地址
二级页表映射过程
① CPU发出虚拟地址vaddr，假设为0x12345678
② MMU根据vaddr[31:20]找到一级页表项：
虚拟地址0x12345678是虚拟地址空间里第0x123个1M，所以找到页表里第0x123项。根据此项的[1:0]内容知道它是一个二级页表项。
③ 从这个表项里取出地址，假设是address，这表示的是二级页表项的物理地址；
④ vaddr[19:12]表示的是二级页表项中的索引index即0x45，在二级页表项中找到第0x45项；
⑤二级页表项格式如下：

里面含有这4K或1K物理空间的基地址page base addr，假设是0x81889000：
它跟vaddr[11:0]组合得到物理地址：0x81889000 + 0x678 = 0x81889678。
所以CPU要访问虚拟地址0x12345678时，实际上访问的是0x81889678的物理地址

给APP新建一块内存映射

① 得到一个vm_area_struct，它表示APP的一块虚拟内存空间；
很幸运，APP调用mmap系统函数时，内核就帮我们构造了一个vm_area_stuct结构体。里面含有虚拟地址的地址范围、权限。
② 确定物理地址：
你想映射某个内核buffer，你需要得到它的物理地址，这得由你提供。
③ 给vm_area_struct和物理地址建立映射关系：
也很幸运，内核提供有相关函数。
APP里调用mmap时，导致的内核相关函数调用过程如下：
cache和buffer映射属性如何选择:
是否使用cache、是否使用buffer，就有4种组合(Linux内核文件arch\arm\include\asm\pgtable-2level.h)：
第1种是不使用cache也不使用buffer，读写时都直达硬件，这适合寄存器的读写。
第2种是不使用cache但是使用buffer，写数据时会用buffer进行优化，可能会有“写合并”，这适合显存的操作。因为对显存很少有读操作，基本都是写操作，而写操作即使被“合并”也没有关系。
第3种是使用cache不使用buffer，就是“write through”，适用于只读设备：在读数据时用cache加速，基本不需要写。
第4种是既使用cache又使用buffer，适合一般的内存读写。

驱动程序要做的事

驱动程序要做的事情有3点：
① 确定物理地址
② 确定属性：是否使用cache、buffer
③ 建立映射关系
编码:
App

fd = open("/dev/hello", O_RDWR);
      /* 2. mmap
       * MAP_SHARED  : 多个APP都调用mmap映射同一块内存时, 对内存的修改大家都可以看到。
       *               就是说多个APP、驱动程序实际上访问的都是同一块内存
       * MAP_PRIVATE : 创建一个copy on write的私有映射。
       *               当APP对该内存进行修改时，其他程序是看不到这些修改的。
       *               就是当APP写内存时, 内核会先创建一个拷贝给这个APP,
       *               这个拷贝是这个APP私有的, 其他APP、驱动无法访问。
       */
      buf =  mmap(NULL, 1024*8, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
      if (buf == MAP_FAILED)
      {
              printf("can not mmap file /dev/hello\n");
              return -1;
      }
      mmap函数MAP_SHARED、MAP_PRIVATE参数。使用MAP_PRIVATE映射时，
      在没有发生写操作时，APP、驱动访问的都是同一块内存；当APP发起写操作时，
      就会触发“copy on write”，即内核会先创建该内存块的拷贝，
      APP的写操作在这个新内存块上进行，这个新内存块是APP私有的，
      别的APP、驱动看不到。
	仅用MAP_SHARED参数时，
	多个APP、驱动读、写时，操作的都是同一个内存块，“共享”。
	printf("mmap address = 0x%x\n", buf);
    printf("buf origin data = %s\n", buf); /* old */

	/* 3. write */
    strcpy(buf, "new");
 	read(fd, str, 1024);
    if (strcmp(buf, str) == 0)
    {
            /* 对于MAP_SHARED映射，APP写的数据驱动可见
             * APP和驱动访问的是同一个内存块
            */
            printf("compare ok!\n");
     }

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36

驱动程序:
分配内存的函数:

kmalloc 分配到的内存物理地址是连续的
kzalloc 分配到的内存物理地址是连续的，内容清0
vmalloc 分配到的内存物理地址不保证是连续的
vzalloc 分配到的内存物理地址不保证是连续的，内容清0
提供mmap函数

static int _drv_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma)
{
//获得物理地址
	unsigned long phy = virt_to_phys(bernel_buf);
得到物理地址, kernel_buf是内核使用的虚拟地址用kmalloc分配
//设置属性:cache, buffer
	vma->vm_page_prot = pgprot_writecombine(vma->vm_page_prot);
设置属性, 不使用 cache 使用buffer
映射
	if(remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, phy>>PAGE_SHIFT,
		vma->vm_end - vma->vm_start, vma->vm_page_prot)){
		printk("mmap remap_pfn_range failed\n");
		return -ENOBUFS;
	}
	return 0;
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16

remap_pfn_range中，pfn的意思是“Page Frame Number”
在Linux中，整个物理地址空间可以分为第0页、第1页、第2页，诸如此类，这就是pfn。
假设每页大小是4K，那么给定物理地址phy，它的pfn = phy / 4096 = phy >> 12。内核的page一般是4K，但是也可以配置内核修改page的大小。所以为了通用，pfn = phy >> PAGE_SHIFT。