1.mmap系统调用

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

功能:负责把文件内容映射到进程的虚拟地址空间,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和write;
参数:addr:映射的起始地址,设为NULL由系统指定;
len:映射到内存的文件长度;
prot:期望的内存保护标志,不能与文件的打开模式冲突。PROT_EXEC,PROT_READ,PROT_WRITE等;
flags:指定映射对象的类型,映射选项和映射页是否可以共享。MAP_SHARED,MAP_PRIVATE等;
fd:由open返回的文件描述符,代表要映射的文件;
offset:开始映射的文件的偏移。
返回值:成功执行时,mmap()返回被映射区的指针。失败时,mmap()返回MAP_FAILED。

mmap映射图:

 

2.解除映射:
 int munmap(void *start, size_t length);

3.虚拟内存区域:
虚拟内存区域是进程的虚拟地址空间中的一个同质区间,即具有同样特性的连续地址范围。一个进程的内存映象由下面几个部分组成:程序代码、数据、BSS和栈区域,以及内存映射的区域。
linux内核使用vm_area_struct结构来描述虚拟内存区。其主要成员:

unsigned long vm_start; /* Our start address within vm_mm. */
unsigned long vm_end; /* The first byte after our end address within vm_mm. */
unsigned long vm_flags; /* Flags, see mm.h. 该区域的标记。如VM_IO(该VMA标记为内存映射的IO区域,会阻止系统将该区域包含在进程的存放转存中)和VM_RESERVED(标志内存区域不能被换出)。*/

4.mmap设备操作:
映射一个设备是指把用户空间的一段地址(虚拟地址区间)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。
mmap方法是file_operations结构的成员,在mmap系统调用的发出时被调用。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(虚拟地址和设备的物理地址的关联通过页表)。

static int mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma);

mmap如何完成页表的建立?(两种方法)
(1)使用remap_pfn_range一次建立所有页表。

int remap_pfn_range(struct vm_area_struct *vma, unsigned long addr, unsigned long pfn, unsigned long size, pgprot_t prot);
/**
* remap_pfn_range - remap kernel memory to userspace
* @vma: user vma to map to:内核找到的虚拟地址区间
* @addr: target user address to start at:要关联的虚拟地址
* @pfn: physical address of kernel memory:要关联的设备的物理地址,也即要映射的物理地址所在的物理帧号,可将物理地址>>PAGE_SHIFT
* @size: size of map area
* @prot: page protection flags for this mapping
*
* Note: this is only safe if the mm semaphore is held when called.
*/

(2)使用nopage VMA方法每次建立一个页表;

5.源码分析:

(1)memdev.h

/*mem设备描述结构体*/
struct mem_dev
{
char *data;
unsigned long size;
}; #endif /* _MEMDEV_H_ */

 

(2)memdev.c

static int mem_major = MEMDEV_MAJOR;

module_param(mem_major, int, S_IRUGO);

struct mem_dev *mem_devp; /*设备结构体指针*/

struct cdev cdev; 

/*文件打开函数*/
int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
struct mem_dev *dev; /*获取次设备号*/
int num = MINOR(inode->i_rdev); if (num >= MEMDEV_NR_DEVS)
return -ENODEV;
dev = &mem_devp[num]; /*将设备描述结构指针赋值给文件私有数据指针*/
filp->private_data = dev; return 0;
} /*文件释放函数*/
int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return 0;
}
static int memdev_mmap(struct file*filp, struct vm_area_struct *vma)
{
struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/ vma->vm_flags |= VM_IO;
vma->vm_flags |= VM_RESERVED; if (remap_pfn_range(vma,vma->vm_start,virt_to_phys(dev->data)>>PAGE_SHIFT, vma->vm_end - vma->vm_start, vma->vm_page_prot))
return -EAGAIN; return 0;
} /*文件操作结构体*/
static const struct file_operations mem_fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.open = mem_open,
.release = mem_release,
.mmap = memdev_mmap,
}; /*设备驱动模块加载函数*/
static int memdev_init(void)
{
int result;
int i; dev_t devno = MKDEV(mem_major, 0); /* 静态申请设备号*/
if (mem_major)
result = register_chrdev_region(devno, 2, "memdev");
else /* 动态分配设备号 */
{
result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");
mem_major = MAJOR(devno);
} if (result < 0)
return result; /*初始化cdev结构*/
cdev_init(&cdev, &mem_fops);
cdev.owner = THIS_MODULE;
cdev.ops = &mem_fops; /* 注册字符设备 */
cdev_add(&cdev, MKDEV(mem_major, 0), MEMDEV_NR_DEVS); /* 为设备描述结构分配内存*/
mem_devp = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL);
if (!mem_devp) /*申请失败*/
{
result = - ENOMEM;
goto fail_malloc;
}
memset(mem_devp, 0, sizeof(struct mem_dev)); /*为设备分配内存*/
for (i=0; i < MEMDEV_NR_DEVS; i++)
{
mem_devp[i].size = MEMDEV_SIZE;
mem_devp[i].data = kmalloc(MEMDEV_SIZE, GFP_KERNEL);
memset(mem_devp[i].data, 0, MEMDEV_SIZE);
} return 0; fail_malloc:
unregister_chrdev_region(devno, 1); return result;
} /*模块卸载函数*/
static void memdev_exit(void)
{
cdev_del(&cdev); /*注销设备*/
kfree(mem_devp); /*释放设备结构体内存*/
unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major, 0), 2); /*释放设备号*/
} MODULE_AUTHOR("David Xie");
MODULE_LICENSE("GPL"); module_init(memdev_init);
module_exit(memdev_exit);

 

(3)app-mmap.c

#include <stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/mman.h> int main()
{
int fd;
char *start;
//char buf[100];
char *buf; /*打开文件*/
fd = open("/dev/memdev0",O_RDWR); buf = (char *)malloc(100);
memset(buf, 0, 100);
start=mmap(NULL,100,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0); /* 读出数据 */
strcpy(buf,start);
sleep (1);
printf("buf 1 = %s\n",buf); /* 写入数据 */
strcpy(start,"Buf Is Not Null!"); memset(buf, 0, 100);
strcpy(buf,start);
sleep (1);
printf("buf 2 = %s\n",buf); munmap(start,100); /*解除映射*/
free(buf);
close(fd);
return 0;
}

测试步骤:

(1)编译安装内核模块:insmod memdev.ko

(2)查看设备名、主设备号:cat /proc/devices

(3)手工创建设备节点:mknod  /dev/memdev0  c  ***  0

  查看设备文件是否存在:ls -l /dev/* | grep memdev

(4)编译下载运行应用程序:./app-mmap

  结果:buf 1 =

     buf 2 = Buf Is Not Null!

  总结:mmap设备方法实现将用户空间的一段内存关联到设备内存上,对用户空间的读写就相当于对字符设备的读写;不是所有的设备都能进行mmap抽象,比如像串口和其他面向流的设备就不能做mmap抽象。

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