Linux 드라이버 IO 문서 - mmap 작업

머리말

보통 Linux 드라이버를 작성하고 사용자 공간과 상호작용할 때 copy_from_user사용자 공간에서 전달된 데이터를 복사합니다. 왜 이러나요? copy_from_user把用户空间传过来的数据进行拷贝，为什么要这么做呢？

因为用户空间是不能直接内核空间数据的，他们映射的是不同的地址空间，只能先将数据拷贝过来，然后再操作。

如果用户空间需要传几MB的数据给内核，那么原来的拷贝方式显然效率特别低，也不太现实，那怎么办呢？

想想，之所以要拷贝是因为用户空间不能直接访问内核空间，那如果可以直接访问内核空间的buffer，是不是就解决了。

简单来说，就是让一块物理内存拥有两份映射，即拥有两个虚拟地址，一个在内核空间，一个在用户空间。关系如下：

通过mmap映射就可以实现。

应用层

应用层代码很简单，主要就是通过mmap系统调用进行映射，然后就可以对返回的地址进行操作。

char * buf;
/* 1. 打开文件 */
 fd = open("/dev/hello", O_RDWR);
 if (fd == -1)
 {
      printf("can not open file /dev/hello\n");
      return -1;
 }

/* 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);

mmap的第一个参数是想要映射的起始地址，通常设置为NULL사용자 공간은 커널 공간 데이터에 직접 접근할 수 없기 때문에 서로 다른 주소 공간을 매핑하므로 데이터를 먼저 복사한 다음 작동할 수 있습니다.

사용자 공간에서 몇 MB의 데이터를 커널로 전송해야 한다면 원본 복사 방법은 분명히 매우 비효율적이고 비현실적이므로 어떻게 해야 할까요? 🎜🎜생각해 보세요. 복사하는 이유는 사용자 공간이 커널 공간에 직접 접근할 수 없기 때문입니다. 그러면 커널 공간의 버퍼에 직접 접근할 수 있다면 해결될까요? 🎜🎜🎜간단히 말하면 물리적 메모리 조각에 두 개의 매핑이 있다는 의미입니다. 즉, 커널 공간에 하나, 사용자 공간에 하나, 총 두 개의 가상 주소가 있다는 의미입니다. 🎜관계는 다음과 같습니다: 🎜

🎜Bymmap 매핑이 가능합니다. 🎜🎜🎜🎜🎜애플리케이션 레이어🎜🎜 🎜🎜🎜애플리케이션 레이어 코드는 매우 간단합니다. 주로 mmap🎜 시스템 호출🎜을 사용하여 매핑을 수행한 다음 반환된 주소에 대해 작업을 수행할 수 있습니다. 🎜

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

🎜mmap의 첫 번째 매개변수는 매핑하려는 시작 주소. 일반적으로 NULL < /code>, 🎜는 커널이 시작 주소 🎜를 결정한다는 의미입니다. 🎜<p data-tool="mdnice编辑器" style="padding-top: 8px;padding-bottom: 8px;line-height: 26px;">두 번째 매개변수는 <strong>매핑할 메모리 공간의 크기</strong>입니다. </p><p data-tool="mdnice编辑器" style="padding-top: 8px;padding-bottom: 8px;line-height: 26px;">세 번째 매개변수<code style="font-size: 14px;padding: 2px 4px;border-radius: 4px;margin-right: 2px;margin-left: 2px; background-color: rgba(27, 31, 35 , 0.05);font-family: "Operator Mono", Consolas, Monaco, Menlo, monospace;word-break: break-all;color: rgb(239, 112, 96);">PROT_READ | PROT_WRITE 표시 매핑된 공간은 PROT_READ | PROT_WRITE表示映射后的空间是可读可写的。

第四个参数可填MAP_SHARED或MAP_PRIVATE읽고 쓸 수 있습니다

. 🎜🎜네 번째 매개변수는 MAP_SHARED</code > 또는 <code style="font-size: 14px;padding: 2px 4px;border-radius: 4px;margin-right: 2px;margin-left: 2px; background-color: rgba(27, 31, 35, 0.05) ; 글꼴 계열: "Operator Mono", Consolas, Monaco, Menlo, monospace;word-break: break-all;color: rgb(239, 112, 96);">MAP_PRIVATE：🎜

• <코드 스타일="글꼴 크기: 14px;패딩: 2px 4px;국경 반경: 4px;마진 오른쪽: 2px;마진 왼쪽: 2px;배경 색상: rgba(27, 31, 35, 0.05 );font-family: "Operator Mono", Consolas, Monaco, Menlo, monospace;word-break: break-all;color: rgb(239, 112, 96);">MAP_SHARED: 다중<코드 스타일 ="글꼴 크기: 14px; 패딩: 2px 4px; 테두리 반경: 4px; 여백 오른쪽: 2px; 여백 왼쪽: 2px; 배경 색상: rgba(27, 31, 35, 0.05); 글꼴 가족: "Operator Mono", Consolas, Monaco, Menlo, monospace; word-break: break-all; color: rgb(239, 112, 96);">APP 모두 mmap 동일한 메모리를 매핑하면 모든 사람이 메모리에 대한 수정 사항을 볼 수 있습니다. 즉, 여러 APP, 드라이버 실제 모두 동일한 메모리에 액세스합니다.
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🎜MAP_PRIVATE</ 코드>: <code style="font-size: 14px;padding: 2px 4px;border-radius: 4px;margin-right: 2px;margin-left: 2px; background-color: rgba(27, 31, 35)를 생성합니다. , 0.05);font-family: "Operator Mono", Consolas, Monaco, Menlo, monospace;word-break: break-all;color: rgb(239, 112, 96);">쓰기 시 복사 비공개 매핑. APP가 이 메모리를 수정하면 다른 프로그램 이러한 수정 사항을 볼 수 없습니다. 이는APP메모리에 쓸 때 커널은 먼저 이에 대한 복사본을 생성합니다APP, 이 복사본은 APP은 비공개이므로 다른 앱과 운전자가 접근할 수 없습니다.

驱动层

驱动层主要是实现mmap接口，而mmap接口的实现，主要是调用了remap_pfn_range函数，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);

vma：描述一片映射区域的结构体指针

addr：要映射的虚拟地址起始地址

pfn：物理内存所对应的页框号，就是将物理地址除以页大小得到的值

size：映射的大小

prot：该内存区域的访问权限

驱动主要步骤：

1、使用kmalloc或者kzalloc函数分配一块内存kernel_buf，因为这样分配的内存物理地址是连续的，mmap后应用层会对这一个基地址去访问这块内存。

2、实现mmap函数

static int hello_drv_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma)
{
 /* 获得物理地址 */
 unsigned long phy = virt_to_phys(kernel_buf);//kernel_buf是内核空间分配的一块虚拟地址空间
    
    /* 设置属性：cache, buffer*/
 vma->vm_page_prot = pgprot_writecombine(vma->vm_page_prot);
    
    /* map */
    if(remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, phy>>PAGE_SHFIT,
                      vma->vm_end - vma->start, vma->vm_page_prot)){
 printk("mmap remap_pfn_range failed\n");
    return -ENOBUFS;
 }
 return 0;
}

static struct file_operations my_fops = {
 .mmap = hello_drv_mmap,
};

1、通过virt_to_phys将虚拟地址转为物理地址，这里的kernel_buf是内核空间的一块虚拟地址空间

2、设置属性：不使用cache，使用buffer

3、映射：通过remap_pfn_range函数映射，phy>>PAGE_SHIFT其实就是按page映射，除了这个参数，其他的起始地址、大小和权限都可以由用户在系统调用函数中指定。

当应用层调用mmap后，就会调用到驱动层的mmap函数，最终应用层的虚拟地址和驱动中的物理地址就建立了映射关系，应用层也就可以直接访问驱动的buffer了。

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