Linux设备驱动之mmap设备操作
来源:互联网 发布:每周日程安排软件 编辑:程序博客网 时间:2024/05/16 09:41
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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