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Linux驅動IO篇-mmap操作

發布: 2023-07-31 15:55:07
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前言

#我們寫Linux驅動程式和使用者空間互動時,都是透過copy_from_user把使用者空間傳過來的資料進行拷貝,為什麼要這麼做呢?

因為使用者空間是無法直接核心空間資料的,他們映射的是不同的位址空間,只能先將資料拷貝過來,然後再操作。

如果用戶空間需要傳幾MB的資料給內核,那麼原來的拷貝方式顯然效率特別低,也不太現實,那怎麼辦呢?

想想,之所以要拷貝是因為使用者空間不能直接存取核心空間,那如果可以直接存取核心空間的buffer,是不是就解決了。

簡單來說,就是讓一塊實體記憶體擁有兩份映射,即擁有兩個虛擬位址,一個在核心空間,一個在使用者空間。 關係如下:

Linux驅動IO篇-mmap操作

透過mmap映射就可以實現。

應用層

#應用程式層程式碼很簡單,主要就是透過mmap #系統呼叫進行映射,然後就可以對傳回的位址進行操作。

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);
登入後複製

mmap的第一個參數是想要映射的起始位址,通常設定為NULL表示由核心來決定該起始地址

第二參數是要映射的記憶體空間的大小

第三個參數PROT_READ | PROT_WRITE表示映射後的空間是可讀可寫的。

第四個參數可填入MAP_SHAREDMAP_PRIVATE

  • MAP_SHARED:多個APP都呼叫mmap映射同一塊記憶體時, 對記憶體的修改大家都可以看到。是說多個APP、驅動程式實際上存取的都是同一塊記憶體
  • MAP_PRIVATE:建立一個copy on write的私有對映。當APP對此記憶體進行修改時,其他程式是看不到這些修改的。就是當APP寫記憶體時, 核心會先建立一個拷貝給這個APP,這個拷貝是這個APP#私有的, 其他APP、驅動無法存取。

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);
登入後複製

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,
};
登入後複製

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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來源:嵌入式Linux充电站
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