驱动学习笔记9用户空间地址映射mmap，应用程序直接用指针操作寄存器-创新互联
明确：mmap就是完成物理地址映射到用户虚拟地址用的
明确：用户3G虚拟地址空间划分：
0x00000000-------------------------------------------------------0xBFFFFFFF
代码段 数据段 BSS段 堆区 MMAP虚拟内存区 栈区
----><------ <----
1.回顾mmap系统调用函数
函数原型：
void *mmap(void *addr, size_t length,
int prot, int flags,
int fd, off_t offset);
函数功能：将物理地址空间映射到用户虚拟内存空间上
将物理地址映射到用户虚拟地址
老王课程这么讲：将文件映射到用户虚拟地址空间上
文件对应硬件外设,外设通过物理地址访问
linux系统不允许访问物理地址,利用mmap映射不得了
参数：
addr:给NULL,让linux内核帮你在用户虚拟内存区域找一块
空间内存用来映射物理地址
length：让linux内核帮你找的空闲用户虚拟内存的大小
切记：大小必须是页面大小(4KB)的整数倍
prot:描述内核帮你找的空闲用户虚拟内存的访问权限
一般指定为：PROT_READ|PROT_WRITE
flags：其余属性,一般指定为：MAP_SHARED
fd:硬件外设
offset:偏移量,一般给0
返回值：linux内核将空闲的用户虚拟内存的首地址进行返回
这个起始用户虚拟地址同样也是4KB整数倍
参考代码：
void *addr;
int fd = open("a.txt", O_RDWR);
addr = mmap(NULL, 0x1000, PROT_READ|PROT_WRITE,
MAP_SHARED, fd, 0);
说明：将文件a.txt映射到以addr起始的用户虚拟内存上
将来访问映射的用户虚拟内存就是访问文件
//向映射的用户虚拟内存拷贝字符串数据
本质是向文件a.txt写入数据
memcpy(addr, "hello,world", 12);
2.1.应用程序调用mmap,首先跑到C库的mmap函数定义
2.2.C库的mmap函数作两件事：
1.保存mmap系统调用号到r7寄存器
2.调用swi/svc指令触发软中断异常
2.3.一旦触发软中断异常,CPU核立马处理软中断异常
2.4.最后进程跑到内核空间继续运行,跑到软中断异常的入口地址
运行,做如下事情：
1.调用软中断异常处理函数,而此函数做两件事：
1.从r7寄存器中取出mmap系统调用号
2.以mmap系统调用号为下标在内核的系统调用表中
找到mmap对应的内核函数sys_mmap,而内核的
sys_mmap做三件事：
1.内核的sys_mmap首先在当前进程的3G虚拟地址空间中
找一块空闲的用户虚拟内存,将来用于和物理地址
做映射
2.一旦找到空闲的用户虚拟内存,并且用户mmap本身
也给用户虚拟内存指定了一堆的属性(大小,权限等)
所以内核用struct vm_area_struct数据结构定义
初始化一个对象来描述空闲的用户虚拟内存的属性
struct vm_area_struct {
unsigned long vm_start; //空间用户虚拟内存的起始地址
//等于mmap的返回值addr
unsigned long vm_end; //结束地址=vm_start+大小
pgprot_t vm_page_prot; //等于mmap传递的PROT_READ|PROT_READ|PROT_WRITE
unsigned long vm_flags; //等于mmap传递的MAP_SHARED
unsigned long vm_pgoff; //等于mmap传递的0
...
};
3.最后内核的sys_mmap调用底层驱动的mmap接口
并且内核sys_mmap将第2步创建的对象的地址
也传递给底层驱动的mmap接口
3.底层驱动mmap执行完毕,进程返回,至此mmap调用结束
3.对应的底层驱动的mmap接口
struct file_operations {
int (*mmap) (struct file *file,
struct vm_area_struct *vma);
};
接口功能：永远只能唯一做一件事：将已知的物理地址和已知的
用户虚拟地址做映射,类似：媒婆
由于用户虚拟地址在用户空间,所以将来访问操作
都是在应用程序完成,而不是在内核驱动完成
访问映射的用户虚拟地址就是在访问物理地址
file：跟fd亲戚关系
vma:指向内核sys_mmap创建的一个对象,此对象来描述空闲的
用户虚拟内存的各种属性,将来底层驱动mmap接口利用
此指针可以获取到用户虚拟内存的属性：
vma->vm_start //获取起始用户虚拟地址
vma->vm_end
vma->vm_flags
vma->vm_page_prot
...
问：底层驱动的mmap接口到底如何最终完成映射呢？
因为已知物理地址可以看手册获取到
已知的用户虚拟地址通过vma指针能够获取到
如何将两者关联在一起呢？
万事俱备只欠东风
答：只需调用以下函数完成关联映射：
int remap_pfn_range(struct vm_area_struct *vma,
unsigned long addr,
unsigned long pfn,
unsigned long size,
pgprot_t prot);
函数功能：完成最终的地址映射
vma:传递内核sys_mmap创建的对象地址
也就是传递驱动mmap接口的第二个参数
addr:传递空闲的用户虚拟内存的首地址
也就是传递vma->vm_start
pfn：传递起始的物理地址>>12
切记：此物理地址大小必须是4KB(0x1000)整数倍
例如：
0xC001C000>>12:合法
0xC001C004>>12:不合法
size：传递映射的用户虚拟内存的大小
也就是传递：vma->vm_end - vma->vm_start
prot:传递用户虚拟内存的访问权限
也就是传递:vma->vm_page_prot
案例：利用mmap实现开关灯操作
参考代码：day09/1.0
什么时候用：read,write,ioctl
什么时候用: mmap
4.1.read,write,ioctl数据操作流程
对设备读操作：read,ioctl
数据流：硬件寄存器----->内核缓冲区------->用户缓冲区
gpio_get_value copy_to_user
对设备写操作：write,ioctl
数据流：用户缓冲区----->内核缓冲区------->硬件寄存器
copy_from_user gpio_set_value
结论：read,write,ioctl数据操作势必要经过两次数据拷贝：
用户-内核->硬件
硬件->内核->用户
4.2.mmap数据操作流程：
对设备读操作： 应用程序直接以指针形式读取寄存器
data = *gpiocout;
对设备写操作： 应用程序直接以指针的形式写入寄存器
*gpiocout &= ~(1<< 12);
结论：mmap数据操作只需一个数据拷贝：
用户->硬件
硬件->用户
4.3.终极结论：
1.如果用户对硬件操作访问的数据量比较小,read,write,ioctl
的两次数据拷贝对系统性能肯定有影响,但是这种影响几乎
可以忽略不计,如果操作的数据量比较大,两次数据拷贝
性能的影响是致命的,例如：摄像头,LCD显示屏,声卡等
2.如果访问操作的数据量比较大,用read,write,ioctl势必
影响系统的性能,务必采用mmap,将两次数据拷贝变成一次
提供系统的性能效率
3.由于mmap在使用的时候,分配的用户虚拟内存必须是4KB的
整数倍,如果操作的数据量比较小,此时还用mmap
即使提高了系统的性能(几乎体会不到),反而是浪费了
宝贵的内存资源
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