Linux驱动mmap内存映射

2020/10/21 07:52
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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)



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

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