Linux驱动修炼之道-内存映射

努力成为linux kernel hacker的人李万鹏原创作品，为梦而战。转载请标明出处

http://blog.csdn.net/woshixingaaa/archive/2011/06/02/6462151.aspx

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

内存映射函数mmap负责把文件内容映射到进程的虚拟内存空间，通过对这段内存的读取和修改，来实现对文件的读取和修改，而不需要再调用read,write等操作。
addr:指定映射的起始地址，通常设为NULL，由系统指定。
length:映射到内存的文件长度。
prot:映射的保护方式，可以是：
PROT_EXEC：映射区可被执行
PROT_READ：映射区可被读取
PROT_WRITE：映射区可被写入
PROT_NONE：映射区不能存取
Flags:映射区的特性，可以是：
MAP_SHARED：
写入映射区的数据会复制回文件，且允许其他映射该文件的进程共享。
MAP_PRIVATE：
对映射区的写入操作会产生一个映射区的复制(copy_on_write)，对此区域所做的修改不会写回原文件。
fd:由open返回的文件描述符，代表要映射的文件。
offset:以文件开始处的偏移量，必须是分页大小的整数倍，通常为0，表示从文件头开始映射。
解除映射：

int munmap(void *start, size_t length);

功能：取消参数start所指向的映射内存，参数length表示欲取消的内存大小。
返回值：解除成功返回0，否则返回-1，错误原因存在于errno中。
虚拟地址区域：vm_area_struct
Linux内核使用结构vm_area_struct(<linux/mm_types.h>)描述虚拟内存区域，其中几个主要成员如下：
unsigned long vm_start 虚拟内存区域起始地址
unsigned long vm_end 虚拟内存区域结束地址
unsigned long vm_flags 该区域的标志
如：VM_IO和VM_RESERVED。VM_IO将该VMA标记为内存映射的IO区域，VM_IO会阻止系统将该区域包含在进程的存放转存(core dump)中，VM_RESERVED标志内存区域不能被换出。
mmap设备操作
映射一个设备是指把用户空间的一段地址关联到设备内存上，当程序读写这段用户空间的地址时，它实际上是在访问设备。这里需要做的两个操作：
1.找到可以用来关联的虚拟地址区间
2.关联
其中找到可以用来关联的虚拟地址区间是由内核完成的，mmap只要关联这个操作。
mmap方法是file_operations结构的成员，在mmap系统调用发出时被调用。在此之前，内核已经完成了很多工作。mmap设备方法所需要做的就是建立虚拟地址到物理地址的页表。

void (*mmap)(struct file*, struct vm_area_struct *);

其中第二个参数struct vm_area_struct *相当于内核找到的，可以拿来用的虚拟内存区间。
mmap完成页表的建立：
方法有二：
1.使用remap_pfn_range一次建立所有页表；
2.使用nopage VMA方法每次建立一个页表；
构造页表的工作可由remap_pgn_range函数完成，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是内核为我们找到的虚拟地址空间，addr要关联的是虚拟地址，pfn是要关联的物理地址，size是关联的长度是多少。
mmap设备操作实例：

int memdev_map(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma){
	vma->vm_flags |= VM_IO;
	vma->vm_flags |= VM_RESERVED;
	if(remap_pgn_range(vma,vma->start, virt_to_phys(dev->data>>PAGE_SHIFT),size,vma->vm_page_prot))
		return -EAGAIN;
	return 0;
}

先说一下对于ARM而言虚拟地址与物理地址的关系：
在arch/arm/include/asm/memory.h中：

#define __virt_to_phys(x)	((x) - PAGE_OFFSET + PHYS_OFFSET)
#define __phys_to_virt(x)	((x) - PHYS_OFFSET + PAGE_OFFSET)

static inline unsigned long virt_to_phys(void *x)
{
	return __virt_to_phys((unsigned long)(x));
}

static inline void *phys_to_virt(unsigned long x)
{
	return (void *)(__phys_to_virt((unsigned long)(x)));
}

上面转换过程的PAGE_OFFSET通常为3G，而PHYS_OFFSET则定于为系统DRAM内存的基地址。因此，对于我们的开发板，并不是将0地址映射到3G，而是将外接的SDRAM的首地址映射到3G。注意：这里的virt_to_phys和phys_to_virt方法仅适用于896MB以下的低端内存，高端内存的虚拟地址与物理地址之间不存在如此简单的换算关系。下边是fbmem.c中的mmap操作,示意图如下：

static int
fb_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct * vma)
__acquires(&info->lock)
__releases(&info->lock)
{
	int fbidx = iminor(file->f_path.dentry->d_inode);
	struct fb_info *info = registered_fb[fbidx];
	struct fb_ops *fb = info->fbops;
	unsigned long off;
	unsigned long start;
	u32 len;

	if (vma->vm_pgoff > (~0UL >> PAGE_SHIFT))
		return -EINVAL;
	/*
	 *vma->vm_pgoff是vma区域在文件中的偏移量，即图中的off,左移PAGE_SHIFT是把以页为单位转为以字节为单位
	 *若PAGE_SIZE为4KB，则PAGE_SHIFT为12，因为PAGE_SIZE等于1<<PAGE_SHIFT。
	 */
	off = vma->vm_pgoff << PAGE_SHIFT;
	if (!fb)
		return -ENODEV;
	/*如果具体设备驱动中实现了mmap，则调用具体设备驱动中的mmap，否则使用fbmem.c中的*/
	if (fb->fb_mmap) {
		int res;
		mutex_lock(&info->lock);
		res = fb->fb_mmap(info, vma);
		mutex_unlock(&info->lock);
		return res;
	}

	mutex_lock(&info->lock);

	/*显存的物理地址*/
	start = info->fix.smem_start;
	/*求出帧缓冲的长度*/
	len = PAGE_ALIGN((start & ~PAGE_MASK) + info->fix.smem_len);
	if (off >= len) {
		/* memory mapped io */
		off -= len;
		if (info->var.accel_flags) {
			mutex_unlock(&info->lock);
			return -EINVAL;
		}
		/*内存映射I/O的开始位置*/
		start = info->fix.mmio_start;
		/*内存映射I/O的长度*/  
		len = PAGE_ALIGN((start & ~PAGE_MASK) + info->fix.mmio_len);
	}
	mutex_unlock(&info->lock);
	/*把起始地址页对齐*/
	start &= PAGE_MASK;
	/*如果区域大于总长度，报错*/
	if ((vma->vm_end - vma->vm_start + off) > len)
		return -EINVAL;
	/*得到在文件中的偏移*/
	off += start;
	/*把以页为单位转为以字节为单位*/
	vma->vm_pgoff = off >> PAGE_SHIFT;
	/* This is an IO map - tell maydump to skip this VMA */
	/*设置VMA标志，将VMA设置成一个内存映射的IO区域，VM_RESERVED告诉内存管理系统不要将VMA交换出去*/
	vma->vm_flags |= VM_IO | VM_RESERVED;
	fb_pgprotect(file, vma, off);
	/*真正建立映射的部分，为物理地址和虚拟地址建立页表*/
	if (io_remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, off >> PAGE_SHIFT,
			     vma->vm_end - vma->vm_start, vma->vm_page_prot))
		return -EAGAIN;
	return 0;
}