Linux下MMAP驱动实现​

mmap简介​

mmap函数用于将一个文件或者其它对象映射进内存，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,write等操作。​

头文件：<sys/mman.h>​

函数原型：​

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

mmap系统调用接口参数说明​

• 映射函数

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

1. addr: 指定映射的起始地址，通常设为NULL，由系统指定。​
2. length:映射到内存的文件长度。​

3. prot:映射的保护方式，可以是：​PROT_EXEC：映射区可被执行​

   PROT_READ：映射区可被读取​

   PROT_WRITE：映射区可被写入​

   PROT_NONE：映射区不能存取​

4. Flags:映射区的特性，可以是：​MAP_SHARED：写入映射区的数据会复制回文件，且允许其他映射该文件的进程共享。​

   MAP_PRIVATE：对映射区的写入操作会产生一个映射区的复制(copy_on_write)，对此区域所做的修改不会写回原文件。​

5. fd:由open返回的文件描述符，代表要映射的文件。​
6. offset:以文件开始处的偏移量，必须是分页大小的整数倍，通常为0，表示从文件头开始映射。​

• 解除映射

int munmap(void *start, size_t length); ​

功能：取消参数start所指向的映射内存，参数length表示欲取消的内存大小。​

返回值：解除成功返回0，否则返回-1​

Linux内核的mmap接口​

3.1 内核描述虚拟内存的结构体​

Linux内核中使用结构体vm_area_struct来描述虚拟内存的区域，其中几个主要成员如下：​

unsigned long vm_start 虚拟内存区域起始地址​

unsigned long vm_end 虚拟内存区域结束地址​

unsigned long vm_flags 该区域的标志​

该结构体定义在<linux/mm_types.h>头文件中。​

该结构体的vm_flags成员赋值的标志为：VM_IO和VM_RESERVED。​

其中：VM_IO表示对设备IO空间的映射，M_RESERVED表示该内存区不能被换出，在设备驱动中虚拟页和物理页的关系应该是长期的，应该保留起来，不能随便被别的虚拟页换出（取消）。​

mmap操作接口​

在字符设备的文件操作集合（struct file_operations）中有mmap函数的接口。原型如下：​

int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);​

其中第二个参数struct vm_area_struct *相当于内核找到的，可以拿来用的虚拟内存区间。mmap内部可以完成页表的建立。​

3.3 实现mmap映射​

映射一个设备是指把用户空间的一段地址关联到设备内存上，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。这里需要做的两个操作：​

1.找到可以用来关联的虚拟地址区间。​

2.实现关联操作。​

mmap设备操作实例如下：​

static int tiny4412_mmap(struct file *myfile, struct vm_area_struct *vma)​ {​ vma->vm_flags |= VM_IO;//表示对设备IO空间的映射 ​ vma->vm_flags |= VM_RESERVED;//标志该内存区不能被换出，在设备驱动中虚拟页和物理页的关系应该是长期的，应该保留起来，不能随便被别的虚拟页换出 ​ if(remap_pfn_range(vma,//虚拟内存区域，即设备地址将要映射到这里 ​ 虚拟空间的起始地址 ​ 与物理内存对应的页帧号，物理地址右移12位 ​ 映射区域大小，一般是页大小的整数倍 ​ 保护属性， ​ { ​ return -EAGAIN; ​ } ​ printk("tiny4412_mmap\n");​ return 0;​ }​

其中的buf就是在内核中申请的一段空间。使用kmalloc函数实现。​

代码如下：​

buf = (char *)kmalloc(MM_SIZE, GFP_KERNEL);​ //内核申请内存只能按页申请，申请该内存以便后面把它当作虚拟设备 ​

3.4 remap_pfn_range函数​

remap_pfn_range函数用于一次建立所有页表。函数原型如下：​

int remap_pfn_range(struct vm_area_struct *vma, unsigned long addr, unsigned long pfn, unsigned long size, pgprot_t prot); ​

其中vma是内核为我们找到的虚拟地址空间，addr要关联的是虚拟地址，pfn是要关联的物理地址，size是关联的长度是多少。​

• ioremap与phys_to_virt、virt_to_phys的区别：​

ioremap是用来为IO内存建立映射的， 它为IO内存分配了虚拟地址，这样驱动程序才可以访问这块内存。 ​

3.5 示例代码: 驱动层

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/slab.h> //定义kmalloc接口  
#include <asm/io.h>     //定义virt_to_phys接口  
#include <linux/mm.h>   //remap_pfn_range
#include <linux/vmalloc.h>
#include <linux/delay.h>
#define MM_SIZE 4096  
static char *buf= NULL;  
static int tiny4412_open(struct inode *my_indoe, struct file *my_file)
{
   buf=(char *)kmalloc(MM_SIZE,GFP_KERNEL);//内核申请内存只能按页申请，申请该内存以便后面把它当作虚拟设备  
   if(buf==NULL)
   {
      printk("error!\n");
      return 0;
   }
   strcpy(buf,"1234567890");
   printk("open ok\n");
   return 0;
}

static int tiny4412_release(struct inode *my_indoe, struct file *my_file)
{
   printk("驱动层打印=%s\n",buf);
   kfree(buf); /*释放空间*/
   printk("open release\n");
   return 0;
}

static int tiny4412_mmap(struct file *myfile, struct vm_area_struct *vma)
{
   vma->vm_flags |= VM_IO;//表示对设备IO空间的映射  
   vma->vm_flags |= VM_RESERVED;//标志该内存区不能被换出，在设备驱动中虚拟页和物理页的关系应该是长期的，应该保留起来，不能随便被别的虚拟页换出  
   if(remap_pfn_range(vma,//虚拟内存区域，即设备地址将要映射到这里  
                  vma->vm_start,//虚拟空间的起始地址  
                  virt_to_phys(buf)>>PAGE_SHIFT,//与物理内存对应的页帧号，物理地址右移12位  
                  vma->vm_end - vma->vm_start,//映射区域大小，一般是页大小的整数倍  
                  vma->vm_page_prot))//保护属性，  
   {  
      return -EAGAIN;  
   }  

   printk("tiny4412_mmap ok\n");
   return 0;
}

static struct file_operations tiny4412_fops=
{
   .open=tiny4412_open,
   .release=tiny4412_release,
   .mmap=tiny4412_mmap
};

static struct miscdevice misc={
   .minor=255,
   .name="tiny4412_mmap",  // /dev/下的名称
   .fops=&tiny4412_fops,
};

static int __init hello_init(void)
{
   /*1. 注册杂项字符设备*/
   misc_register(&misc);
   printk("hello_init 驱动安装成功!\n");
   return 0;
}

static void __exit hello_exit(void)
{
    /*2. 注销*/
    misc_deregister(&misc);
   printk("hello_exit驱动卸载成功!\n");
}

module_init(hello_init); 
module_exit(hello_exit); 

MODULE_AUTHOR("www.wanbangee.com");      //声明驱动的作者
MODULE_DESCRIPTION("hello 模块测试"); //描述当前驱动功能
MODULE_LICENSE("GPL");  //驱动许可证。支持的协议GPL。      

3.6 示例代码: 应用层

#include <stdio.h>
#include <sys/mman.h>

unsigned char *fbmem=NULL;
unsigned char buff[10];
int main(int argc,char**argv)
{
   int fd;
   fd=open("/dev/tiny4412_mmap",2);
   if(fd<0)
    {
      printf("驱动打开失败!\n");
      return -1;  
    }
   fbmem =(unsigned char *)mmap(NULL,4096,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
   if(fbmem==NULL)
   {
     printf("映射错误!\n");
   }
   printf("应用层打印1=%s\n",fbmem); //打印出123456789
   memcpy(fbmem,"123456789",10);   //向映射空间拷贝数据
   memcpy(buff,fbmem,10);          //将映射空间的数据拷贝出来
   printf("应用层打印2=%s\n",buff); //打印出123456789
   close(fd);
   return 0;
}