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Linux驱动IO篇——mmap操作

发布: 2023-07-31 15:55:07
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前言

平时我们写Linux驱动和用户空间交互时,都是通过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?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:

Linux驱动IO篇——mmap操作

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);
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mmap的第一个参数是想要映射的起始地址,通常设置为NULL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:🎜
Linux驱动IO篇——mmap操作
🎜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。🎜
int remap_pfn_range(
  struct vm_area_struct *vma, 
  unsigned long addr, 
  unsigned long pfn, 
  unsigned long size, 
  pgprot_t prot);
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🎜mmap的第一个参数是想要映射的起始地址,通常设置为NULL,🎜表示由内核来决定该起始地址🎜。🎜

第二参数是要映射的内存空间的大小

第三个参数PROT_READ | PROT_WRITE表示映射后的空间是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_SHAREDMAP_PRIVATE可读可写

的。🎜🎜第四个参数可填MAP_SHAREDMAP_PRIVATE:🎜
  • 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_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: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。
  • 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);
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    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,
    };
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    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。

    以上是Linux驱动IO篇——mmap操作的详细内容。更多信息请关注PHP中文网其他相关文章!

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    来源:嵌入式Linux充电站
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