mmap底层驱动实现（remap_pfn_range函数）

mmap底层驱动实现

myfb.c（申请了128K空间）

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#include <linux/init.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/export.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/export.h>
#include <linux/mm_types.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/slab.h>

#define 	BUFF_SIZE 		(32 * 4 * 1024)

static char *buff;
static int major;
static struct class * myfb_class;

static int myfb_mmap (struct file *fp, struct vm_area_struct *vm)
{
	int res;
	//表示该vma在虚拟地址空间中的偏移地址，单位是页（4K）
	//unsigned long offset = vm->vm_pgoff << PAGE_SHIFT;   
	
	//计算被映射的物理内存的物理页帧号(物理地址+偏移)，以页为单位, virt_to_phys将虚拟地址转成物理地址
	//vm->pgoff表示的是用户空间映射时在VMA中的偏移(即mmap最后一个参数,单位是字节,但vm->pgoff自动转成页单位)
	unsigned long pfn_start = (virt_to_phys(buff) >> PAGE_SHIFT);   

	res = remap_pfn_range(vm, vm->vm_start, 
				pfn_start + vm->vm_pgoff,   //在物理页帧号上加上偏移
				vm->vm_end - vm->vm_start, 
				vm->vm_page_prot);
	if(res){
		printk("remap_pfn_range failed\n");
		return -1;
	}

	printk("[kernel] pfn_start = 0x%lx, vm->vm_pgoff = 0x%lx, \
		\n[kernel] vm->vm_start = 0x%lx, vm->vm_end = 0x%lx, vir_ker_start = 0x%lx\n",  \
		pfn_start, vm->vm_pgoff, vm->vm_start, vm->vm_end, (unsigned long)buff);
	return 0;
}

static struct file_operations myfb_fops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.mmap  = myfb_mmap,
};

static int myfb_init(void)
{
	buff = kzalloc(BUFF_SIZE, GFP_KERNEL);
	if (!buff){
		printk("kzalloc failed!\n");
		return -ENOMEM;
	}
	printk("kzalloc success!\n");

	major = register_chrdev(0, "myfb", &myfb_fops);
	myfb_class = class_create(THIS_MODULE, "myfb_class");
	device_create(myfb_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "myfb");
	
	return 0;
}

static void myfb_exit(void)
{
	device_destroy(myfb_class, MKDEV(major, 0));
	class_destroy(myfb_class);
	unregister_chrdev(major, "myfb");
	
	kfree(buff);
}


module_init(myfb_init);
module_exit(myfb_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

mmap_read.c

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#include <stdio.h>
#include <sys/mman.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>

#define   PAGE_SIZE    (4*1024)
#define   BUFF_SIZE    (1 * PAGE_SIZE)
#define   OFFSET       (2 * PAGE_SIZE)

char *p;
int fd;

void ctrlc(int signum)
{
	munmap(p, BUFF_SIZE);
	close(fd);
}

int main(void)
{
	signal(SIGINT, ctrlc);
	fd = open("/dev/myfb", O_RDWR);

       	p = (char *)mmap(NULL, BUFF_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE , MAP_SHARED, fd, OFFSET);

	if(p){
		printf("mmap addr = 0x%x\n", p);
		printf("data = %s\n", p);
	}else{
		printf("mmap failed\n");
	}

	while(1){
		sleep(1);
	}

	return 0;
}

mmap_write.c

c 复制代码

#include <stdio.h>
#include <sys/mman.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>

#define   PAGE_SIZE    (4*1024)
#define   BUFF_SIZE    (1 * PAGE_SIZE)
#define   OFFSET       (0 * PAGE_SIZE)

char *p;
int fd;

void ctrlc(int signum)
{
	munmap(p, BUFF_SIZE);
	close(fd);
}

int main(void)
{
	signal(SIGINT, ctrlc);

	fd = open("/dev/myfb", O_RDWR);

       	p = (char *)mmap(NULL, BUFF_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE , MAP_SHARED, fd, OFFSET);

	if(p){
		printf("mmap addr = 0x%x\n", p);
		memcpy(p, "hello world", 20);
	}else{
		printf("mmap failed\n");
	}

	while(1){
		sleep(1);
	}
	return 0;
}

Makefile

c 复制代码

KERNEL_DIR = /home/me/Kernel_Uboot/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek

all:
	make -C $(KERNEL_DIR) M=`pwd` modules
	$(CROSS_COMPILE)gcc mmap_read.c -o mmap_read
	$(CROSS_COMPILE)gcc mmap_write.c -o mmap_write

clean:
	make -C $(KERNEL_DIR) M=`pwd` modules clean

obj-m += myfb.o

当读和写的进程内存映射地址的偏移都为0时 ，读进程能把写进程写入的数据读出

当写进程内存映射地址偏移为0 ，读进程内存映射地址**偏移为2（单位页）**时，读进程读出数据为空

PS：注意到读写进程的pfn_start相同，这个值是映射的物理内存地址，vm->vm_pgoff 是偏移（单位页，一页=4K(4096)）

但是两个进程映射的虚拟地址结果不一定相同，虚拟地址是进程自己独有的，这点很容易理解。

1. 查看虚拟内存分布

查看读写进程的pid

写进程的虚拟内存分布

读进程的虚拟内存分布

1.1 分析虚拟内存映射部分

以读进程为例，/dev/myfb所在行即是内存映射的部分

76ffa000： vm->vm_start 的值

76ffb000： vm->vm_end 的值

rw-s： 表示的是 vm->vm_flags，"rw"表示可读可写，"s"表示 share共享，"p"表示 private 私有

00000000： 表示偏移量，即 vm->vm_pgoff（单位页，此处的偏移量单位是字节，需要做一下换算）

00:06 ： 表示主次设备号

2564： 表示 inode 值

/dev/myfb： 表示设备节点名

1.2 关于偏移量

将读进程中mmap函数最后一个参数改为2*4096（2页）后，进程的虚拟内存映射部分的地址分布如下。

可以看到偏移量为 00002000 ，即 2*4096字节 = 2页 = 8K

偏移量指的是mmap最后一个参数、同样也是vm->vm_pgoff（单位页），指的是映射时在文件的物理内存上的偏移，只映射了文件的部分内容，单位是页4K

2. remap_pfn_range函数

2.1 remap_pfn_range函数原型

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/**
 * remap_pfn_range - remap kernel memory to userspace
 * @vma: user vma to map to
 * @addr: target user address to start at
 * @pfn: physical address of kernel memory
 * @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.
 */
int remap_pfn_range(struct vm_area_struct *vma, unsigned long addr,
		    unsigned long pfn, unsigned long size, pgprot_t prot)

参数	含义
vm	虚拟内存区域描述符，用于表示映射的虚拟内存区域
addr	映射的虚拟内存区域的首地址
pfn	物理页帧号
size	映射区域的大小
prot	物理页面的操作属性，例如读/写/执行权限

2.2 remap_pfn_range函数使用

这里主要搞懂 myfb.c 驱动代码中的 remap_pfn_range 中的如下代码

C 复制代码

unsigned long pfn_start = (virt_to_phys(buff) >> PAGE_SHIFT);   

res = remap_pfn_range(vm, vm->vm_start, 
                      pfn_start + vm->vm_pgoff,   //在物理页帧号上加上偏移
                      vm->vm_end - vm->vm_start, 
                      vm->vm_page_prot);

vm： 调用mmap时内核自动生成的VMA（虚拟内存描述符）
vm->vm_start： 该VMA的起始地址
vm->_end： 该VMA的结束地址
virt_to_phys： 将虚拟地址转成物理地址
PAGE_SHIFT： 宏，值为12，1<<PAGE_SHIFT表示4096，即4K，一页的大小
vm->vm_pgoff： 指的是映射时在文件的物理内存上的偏移，只映射了文件的部分内容，单位是页(4K)
vm->vm_page_prot： 该虚拟内存的访问权限，由mmap的参数决定，例如可读可写，共享等