Linux内核mmap内存映射详解及例子实现

mmap在linux哪里?

什么是mmap?

上图说了,mmap是操作这些设备的一种方法,所谓操作设备,比如IO端口(点亮一个LED)、LCD控制器、磁盘控制器,实际上就是往设备的物理地址读写数据。

但是,由于应用程序不能直接操作设备硬件地址,所以操作系统提供了这样的一种机制——内存映射,把设备地址映射到进程虚拟地址,mmap就是实现内存映射的接口。

操作设备还有很多方法,如ioctl、ioremap

mmap的好处是,mmap把设备内存映射到虚拟内存,则用户操作虚拟内存相当于直接操作设备了,省去了用户空间到内核空间的复制过程,相对IO操作来说,增加了数据的吞吐量。

什么是内存映射?

既然mmap是实现内存映射的接口,那么内存映射是什么呢?看下图

每个进程都有独立的进程地址空间,通过页表和MMU,可将虚拟地址转换为物理地址,每个进程都有独立的页表数据,这可解释为什么两个不同进程相同的虚拟地址,却对应不同的物理地址。

什么是虚拟地址空间?

每个进程都有4G的虚拟地址空间,其中3G用户空间,1G内核空间(linux),每个进程共享内核空间,独立的用户空间,下图形象地表达了这点

驱动程序运行在内核空间,所以驱动程序是面向所有进程的。

用户空间切换到内核空间有两种方法:

(1)系统调用,即软中断

(2)硬件中断

虚拟地址空间里面是什么?

了解了什么是虚拟地址空间,那么虚拟地址空间里面装的是什么?看下图

虚拟空间装的大概是上面那些数据了,内存映射大概就是把设备地址映射到上图的红色段了,暂且称其为“内存映射段”,至于映射到哪个地址,是由操作系统分配的,操作系统会把进程空间划分为三个部分:

(1)未分配的,即进程还未使用的地址

(2)缓存的,缓存在ram中的页

(3)未缓存的,没有缓存在ram中

操作系统会在未分配的地址空间分配一段虚拟地址,用来和设备地址建立映射,至于怎么建立映射,后面再揭晓。

现在大概明白了“内存映射”是什么了,那么内核是怎么管理这些地址空间的呢?任何复杂的理论最终也是通过各种数据结构体现出来的,而这里这个数据结构就是进程描述符。从内核看,进程是分配系统资源(CPU、内存)的载体,为了管理进程,内核必须对每个进程所做的事情进行清楚的描述,这就是进程描述符,内核用task_struct结构体来表示进程,并且维护一个该结构体链表来管理所有进程。该结构体包含一些进程状态、调度信息等上千个成员,我们这里主要关注进程描述符里面的内存描述符(struct mm_struct mm)

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内存描述符

具体的结构,请参考下图

现在已经知道了内存映射是把设备地址映射到进程空间地址(注意:并不是所有内存映射都是映射到进程地址空间的,ioremap是映射到内核虚拟空间的,mmap是映射到进程虚拟地址的),实质上是分配了一个vm_area_struct结构体加入到进程的地址空间,也就是说,把设备地址映射到这个结构体,映射过程就是驱动程序要做的事了。

内存映射的实现

以字符设备驱动为例,一般对字符设备的操作都如下框图

而内存映射的主要任务就是实现内核空间中的mmap()函数,先来了解一下字符设备驱动程序的框架

以下是mmap_driver.c的源代码

//所有的模块代码都包含下面两个头文件  
#include <linux/module.h>  
#include <linux/init.h>  
  
#include <linux/types.h> //定义dev_t类型  
#include <linux/cdev.h> //定义struct cdev结构体及相关操作  
#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/fs.h>  
  
#define MAJOR_NUM 990  
#define MM_SIZE 4096  
  
static char driver_name[] = "mmap_driver1";//驱动模块名字  
static int dev_major = MAJOR_NUM;  
static int dev_minor = 0;  
char *buf = NULL;  
struct cdev *cdev = NULL;  
  
static int device_open(struct inode *inode, struct file *file)  
{  
    printk(KERN_ALERT"device open\n");  
    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  
    return 0;  
}  
  
static int device_close(struct inode *indoe, struct file *file)  
{  
    printk("device close\n");  
    if(buf)  
    {  
        kfree(buf);  
    }  
    return 0;  
}  
  
static int device_mmap(struct file *file, 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;  
    }  
    return 0;  
}  
  
static struct file_operations device_fops =  
{  
    .owner = THIS_MODULE,  
    .open  = device_open,  
    .release = device_close,  
    .mmap = device_mmap,  
};  
  
static int __init char_device_init( void )  
{  
    int result;  
    dev_t dev;//高12位表示主设备号,低20位表示次设备号  
    printk(KERN_ALERT"module init2323\n");  
    printk("dev=%d", dev);  
    dev = MKDEV(dev_major, dev_minor);  
    cdev = cdev_alloc();//为字符设备cdev分配空间  
    printk(KERN_ALERT"module init\n");  
    if(dev_major)  
    {  
        result = register_chrdev_region(dev, 1, driver_name);//静态分配设备号  
        printk("result = %d\n", result);  
    }  
    else  
    {  
        result = alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, driver_name);//动态分配设备号  
        dev_major = MAJOR(dev);  
    }  
      
    if(result < 0)  
    {  
        printk(KERN_WARNING"Cant't get major %d\n", dev_major);  
        return result;  
    }  
      
      
    cdev_init(cdev, &device_fops);//初始化字符设备cdev  
    cdev->ops = &device_fops;  
    cdev->owner = THIS_MODULE;  
      
    result = cdev_add(cdev, dev, 1);//向内核注册字符设备  
    printk("dffd = %d\n", result);  
    return 0;  
}  
  
static void __exit char_device_exit( void )  
{  
    printk(KERN_ALERT"module exit\n");  
    cdev_del(cdev);  
    unregister_chrdev_region(MKDEV(dev_major, dev_minor), 1);  
}  
  
module_init(char_device_init);//模块加载  
module_exit(char_device_exit);//模块退出  
  
MODULE_LICENSE("GPL");  
MODULE_AUTHOR("ChenShengfa");  

下面是测试代码test_mmap.c

#include <stdio.h>  
#include <fcntl.h>  
#include <sys/mman.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <string.h>  
  
int main( void )  
{  
    int fd;  
    char *buffer;  
    char *mapBuf;  
    fd = open("/dev/mmap_driver", O_RDWR);//打开设备文件,内核就能获取设备文件的索引节点,填充inode结构  
    if(fd<0)  
    {  
        printf("open device is error,fd = %d\n",fd);  
        return -1;  
    }  
    /*测试一:查看内存映射段*/  
    printf("before mmap\n");  
    sleep(15);//睡眠15秒,查看映射前的内存图cat /proc/pid/maps  
    buffer = (char *)malloc(1024);  
    memset(buffer, 0, 1024);  
    mapBuf = mmap(NULL, 1024, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);//内存映射,会调用驱动的mmap函数  
    printf("after mmap\n");  
    sleep(15);//睡眠15秒,在命令行查看映射后的内存图,如果多出了映射段,说明映射成功  
      
    /*测试二:往映射段读写数据,看是否成功*/  
    strcpy(mapBuf, "Driver Test");//向映射段写数据  
    memset(buffer, 0, 1024);  
    strcpy(buffer, mapBuf);//从映射段读取数据  
    printf("buf = %s\n", buffer);//如果读取出来的数据和写入的数据一致,说明映射段的确成功了  
      
      
    munmap(mapBuf, 1024);//去除映射  
    free(buffer);  
    close(fd);//关闭文件,最终调用驱动的close  
    return 0;  
}  

下面是makefile文件

ifneq ($(KERNELRELEASE),)  
  
obj-m := mmap_driver.o  
  
else  
KDIR := /lib/modules/3.2.0-52-generic/build  
  
all:  
    make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules  
clean:  
    rm -f *.ko *.o *.mod.o *.mod.c *~ *.symvers *.order  
  
endif

下面命令演示一下驱动程序的编译、安装、测试过程(注:其他用户在mknod之后还需要chmod改变权限)

# make    //编译驱动
 
# insmod mmap_driver.ko    //安装驱动
 
# mknod /dev/mmap_driver c 999 0    //创建设备文件
 
# gcc test_mmap.c -o test.o    //编译应用程序
 
# ./test.o    //运行应用程序来测试驱动程序

拓展:

关于这个过程,涉及一些术语

(1)设备文件:linux中对硬件虚拟成设备文件,对普通文件的各种操作均适用于设备文件

(2)索引节点:linux使用索引节点来记录文件信息(如文件长度、创建修改时间),它存储在磁盘中,读入内存后就是一个inode结构体,文件系统维护了一个索引节点的数组,每个元素都和文件或者目录一一对应。

(3)主设备号:如上面的999,表示设备的类型,比如该设备是lcd还是usb等

(4)次设备号:如上面的0,表示该类设备上的不同设备

(5)文件(普通文件或设备文件)的三个结构

①文件操作:struct file_operations

②文件对象:struct file

③文件索引节点:struct inode

关于驱动程序中内存映射的实现,先了解一下open和close的流程

(1)设备驱动open流程

①应用程序调用open("/dev/mmap_driver", O_RDWR);

②Open就会通过VFS找到该设备的索引节点(inode),mknod的时候会根据设备号把驱动程序的file_operations结构填充到索引节点中(关于mknod /dev/mmap_driver c 999 0,这条指令创建了设备文件,在安装驱动(insmod)的时候,会运行驱动程序的初始化程序(module_init),在初始化程序中,会注册它的主设备号到系统中(cdev_add),如果mknod时的主设备号999在系统中不存在,即和注册的主设备号不同,则上面的指令会执行失败,就创建不了设备文件)

③然后根据设备文件的索引节点中的file_operations中的open指针,就调用驱动的open方法了。

④生成一个文件对象files_struct结构,系统维护一个files_struct的链表,表示系统中所有打开的文件

⑤返回文件描述符fd,把fd加入到进程的文件描述符表中

(2)设备驱动close流程

应用程序调用close(fd),最终可调用驱动的close,为什么根据一个简单的int型fd就可以找到驱动的close函数?这就和上面说的三个结构(struct file_operations、struct file、struct inode)息息相关了,假如fd = 3

(3)设备驱动mmap流程

由open和close得知,同理,应用程序调用mmap最终也会调用到驱动程序中mmap方法

①应用程序test.mmap.c中mmap函数

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

addr:映射后虚拟地址的起始地址,通常为NULL,内核自动分配

length:映射区的大小

prot:页面访问权限(PROT_READ、PROT_WRITE、PROT_EXEC、PROT_NONE)

flags:参考网络资料

fd:文件描述符

offset:文件映射开始偏移量

②驱动程序的mmap_driver.c中mmap函数

上面说了,mmap的主要工作是把设备地址映射到进程虚拟地址,也即是一个vm_area_struct的结构体,这里说的映射,是一个很悬的东西,那它在程序中的表现是什么呢?——页表,没错,就是页表,映射就是要建立页表。进程地址空间就可以通过页表(软件)和MMU(硬件)映射到设备地址上了

添加图片注释,不超过 140 字(可选)

virt_to_phys(buf),buf是在open时申请的地址,这里使用virt_to_phys把buf转换成物理地址,是模拟了一个硬件设备,即把虚拟设备映射到虚拟地址,在实际中可以直接使用物理地址。

总结

①从以上看到,内核各个模块错综复杂、相互交叉

②单纯一个小小驱动模块,就涉及了进程管理(进程地址空间)、内存管理(页表与页帧映射)、虚拟文件系统(structfile、structinode)

③并不是所有设备驱动都可以使用mmap来映射,比如像串口和其他面向流的设备,并且必须按照页大小进行映射。

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