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今天就跟大家聊聊有关如何解析Linux驱动中mmap内存映射，可能很多人都不太了解，为了让大家更加了解，小编给大家总结了以下内容，希望大家根据这篇文章可以有所收获。
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。
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
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
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
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。
以字符设备驱动为例，一般对字符设备的操作都如下框图
以下是mmap_driver.c的源代码
[cpp] view plain copy
//所有的模块代码都包含下面两个头文件
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/types.h> //定义dev_t类型
#include <linux/cdev.h> //定义struct cdev结构体及相关操作
#include <linux/slab.h> //定义kmalloc接口
#include <asm/io.h>//定义virt_to_phys接口
#include <linux/mm.h>//remap_pfn_range
#include <linux/fs.h>
#define MAJOR_NUM 990
#define MM_SIZE 4096
static char driver_name[] = "mmap_driver1";//驱动模块名字
static int dev_major = MAJOR_NUM;
static int dev_minor = 0;
char *buf = NULL;
struct cdev *cdev = NULL;
static int device_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
printk(KERN_ALERT"device open\n");
buf = (char *)kmalloc(MM_SIZE, GFP_KERNEL);//内核申请内存只能按页申请，申请该内存以便后面把它当作虚拟设备
return 0;
}
static int device_close(struct inode *indoe, struct file *file)
{
printk("device close\n");
if(buf)
{
kfree(buf);
}
return 0;
}
static int device_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma)
{
vma->vm_flags |= VM_IO;//表示对设备IO空间的映射
vma->vm_flags |= VM_RESERVED;//标志该内存区不能被换出，在设备驱动中虚拟页和物理页的关系应该是长期的，应该保留起来，不能随便被别的虚拟页换出
if(remap_pfn_range(vma,//虚拟内存区域，即设备地址将要映射到这里
vma->vm_start,//虚拟空间的起始地址
virt_to_phys(buf)>>PAGE_SHIFT,//与物理内存对应的页帧号，物理地址右移12位
vma->vm_end - vma->vm_start,//映射区域大小，一般是页大小的整数倍
vma->vm_page_prot))//保护属性，
{
return -EAGAIN;
}
return 0;
}
static struct file_operations device_fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.open = device_open,
.release = device_close,
.mmap = device_mmap,
};
static int __init char_device_init( void )
{
int result;
dev_t dev;//高12位表示主设备号，低20位表示次设备号
printk(KERN_ALERT"module init2323\n");
printk("dev=%d", dev);
dev = MKDEV(dev_major, dev_minor);
cdev = cdev_alloc();//为字符设备cdev分配空间
printk(KERN_ALERT"module init\n");
if(dev_major)
{
result = register_chrdev_region(dev, 1, driver_name);//静态分配设备号
printk("result = %d\n", result);
}
else
{
result = alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, driver_name);//动态分配设备号
dev_major = MAJOR(dev);
}
if(result < 0)
{
printk(KERN_WARNING"Cant't get major %d\n", dev_major);
return result;
}
cdev_init(cdev, &device_fops);//初始化字符设备cdev
cdev->ops = &device_fops;
cdev->owner = THIS_MODULE;
result = cdev_add(cdev, dev, 1);//向内核注册字符设备
printk("dffd = %d\n", result);
return 0;
}
static void __exit char_device_exit( void )
{
printk(KERN_ALERT"module exit\n");
cdev_del(cdev);
unregister_chrdev_region(MKDEV(dev_major, dev_minor), 1);
}
module_init(char_device_init);//模块加载
module_exit(char_device_exit);//模块退出
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("ChenShengfa");
下面是测试代码test_mmap.c
[cpp] view plain copy
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
int main( void )
{
int fd;
char *buffer;
char *mapBuf;
fd = open("/dev/mmap_driver", O_RDWR);//打开设备文件，内核就能获取设备文件的索引节点，填充inode结构
if(fd<0)
{
printf("open device is error,fd = %d\n",fd);
return -1;
}
/*测试一：查看内存映射段*/
printf("before mmap\n");
sleep(15);//睡眠15秒，查看映射前的内存图cat /proc/pid/maps
buffer = (char *)malloc(1024);
memset(buffer, 0, 1024);
mapBuf = mmap(NULL, 1024, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);//内存映射，会调用驱动的mmap函数
printf("after mmap\n");
sleep(15);//睡眠15秒，在命令行查看映射后的内存图，如果多出了映射段，说明映射成功
/*测试二：往映射段读写数据，看是否成功*/
strcpy(mapBuf, "Driver Test");//向映射段写数据
memset(buffer, 0, 1024);
strcpy(buffer, mapBuf);//从映射段读取数据
printf("buf = %s\n", buffer);//如果读取出来的数据和写入的数据一致，说明映射段的确成功了
munmap(mapBuf, 1024);//去除映射
free(buffer);
close(fd);//关闭文件，最终调用驱动的close
return 0;
}
下面是makefile文件
[plain] view plain copy
ifneq ($(KERNELRELEASE),)
obj-m := mmap_driver.o
else
KDIR := /lib/modules/3.2.0-52-generic/build
all:
make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules
clean:
rm -f *.ko *.o *.mod.o *.mod.c *~ *.symvers *.order
endif
下面命令演示一下驱动程序的编译、安装、测试过程（注：其他用户在mknod之后还需要chmod改变权限）
# make //编译驱动
# insmod mmap_driver.ko //安装驱动
# mknod /dev/mmap_driver c 999 0 //创建设备文件
# gcc test_mmap.c -o test.o //编译应用程序
# ./test.o //运行应用程序来测试驱动程序
拓展：
关于这个过程，涉及一些术语
（1）设备文件：linux中对硬件虚拟成设备文件，对普通文件的各种操作均适用于设备文件
（2）索引节点：linux使用索引节点来记录文件信息（如文件长度、创建修改时间），它存储在磁盘中，读入内存后就是一个inode结构体，文件系统维护了一个索引节点的数组，每个元素都和文件或者目录一一对应。
（3）主设备号：如上面的999，表示设备的类型，比如该设备是lcd还是usb等
（4）次设备号：如上面的0，表示该类设备上的不同设备
（5）文件（普通文件或设备文件）的三个结构
①文件操作：struct file_operations
②文件对象：struct file
③文件索引节点：struct inode
关于驱动程序中内存映射的实现，先了解一下open和close的流程
（1）设备驱动open流程
（3）设备驱动mmap流程
由open和close得知，同理，应用程序调用mmap最终也会调用到驱动程序中mmap方法
①应用程序test.mmap.c中mmap函数
void* mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
addr：映射后虚拟地址的起始地址，通常为NULL，内核自动分配
length：映射区的大小
prot：页面访问权限（PROT_READ、PROT_WRITE、PROT_EXEC、PROT_NONE）
flags：参考网络资料
fd：文件描述符
offset：文件映射开始偏移量
②驱动程序的mmap_driver.c中mmap函数
上面说了，mmap的主要工作是把设备地址映射到进程虚拟地址，也即是一个vm_area_struct的结构体，这里说的映射，是一个很悬的东西，那它在程序中的表现是什么呢？——页表，没错，就是页表，映射就是要建立页表。进程地址空间就可以通过页表（软件）和MMU（硬件）映射到设备地址上了
virt_to_phys(buf)，buf是在open时申请的地址，这里使用virt_to_phys把buf转换成物理地址，是模拟了一个硬件设备，即把虚拟设备映射到虚拟地址，在实际中可以直接使用物理地址。
总结
①从以上看到，内核各个模块错综复杂、相互交叉
②单纯一个小小驱动模块，就涉及了进程管理（进程地址空间）、内存管理（页表与页帧映射）、虚拟文件系统（structfile、structinode）
③并不是所有设备驱动都可以使用mmap来映射，比如像串口和其他面向流的设备，并且必须按照页大小进行映射。
看完上述内容，你们对如何解析Linux驱动中mmap内存映射有进一步的了解吗？如果还想了解更多知识或者相关内容，请关注亿速云行业资讯频道，感谢大家的支持。
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