Linux驱动开发基础(定时器、mmap)

所学来自百问网

1.定时器

[1.1 定时器时间单位](#1.1 定时器时间单位)

[1.2 内核函数](#1.2 内核函数)

[1.3 定时器的应用举例](#1.3 定时器的应用举例)

2.mmap

[2.1 内存映射现象与数据结构](#2.1 内存映射现象与数据结构)

[2.2 ARM 架构内存映射简介](#2.2 ARM 架构内存映射简介)

[2.2.1 一级页表映射过程](#2.2.1 一级页表映射过程)

[2.2.2 二级页表映射过程](#2.2.2 二级页表映射过程)

[2.2.3 应用程序新建内存映射](#2.2.3 应用程序新建内存映射)

[2.2.3.1 mmap调用过程](#2.2.3.1 mmap调用过程)

[2.2.3.2 cache和buffer](#2.2.3.2 cache和buffer)

[2.2.4 驱动程序](#2.2.4 驱动程序)

[2.2.5 编程](#2.2.5 编程)

[2.2.5.1 APP编程](#2.2.5.1 APP编程)

[2.2.5.2 驱动编程](#2.2.5.2 驱动编程)

1.定时器

1.1 定时器时间单位

编译内核时，可以在内核源码根目录下用"ls -a"看到一个隐藏文件，它就是内核配置文件。打开后可以看到如下这项：

CONFIG_HZ=100

这表示内核每秒中会发生 100 次系统滴答中断(tick)，这是Linux系统的心跳。每发生一次tick中断，全局变量jiffies就会累加1。 CONFIG_HZ=100 表示每个滴答是10ms。

定时器的时间就是基于jiffies的，我们修改超时时间时，一般使用这2种方法：

在add_timer之前，直接修改：

timer.expires = jiffies + xxx;   // xxx 表示多少个滴答后超时，也就是xxx*10ms  
timer.expires = jiffies + 2*HZ;  // HZ 等于 CONFIG_HZ，2*HZ 就相当于 2秒

*在add_timer之后，使用mod_timer修改：

mod_timer(&timer, jiffies + xxx);   // xxx 表示多少个滴答后超时，也就是xxx*10ms  
mod_timer(&timer, jiffies + 2*HZ);  // HZ 等于 CONFIG_HZ，2*HZ 就相当于 2秒

1.2 内核函数

对于4.x.x版本的Linux内核函数

**setup_timer(timer, fn, data)：**设置定时器，主要是初始化timer_list结构体，设置其中的函数、参数。
**void add_timer(struct timer_list *timer)：**向内核添加定时器。timer->expires表示超时时间，当超时时间到达，内核就会调用这个函数： timer->function(timer->data)。
**int mod_timer(struct timer_list *timer, unsigned long expires):**修改定时器的超时时间它等同于：del_timer(timer); timer->expires = expires; add_timer(timer);
**int del_timer(struct timer_list *timer)：**删除定时器。

1.3 定时器的应用举例

按下或松开一个按键，它的GPIO电平会反复变化，最后才稳定。一般是几十毫秒才会稳定。

如果不处理抖动的话，用户只操作一次按键，中断程序可能会上报多个数据。

处理方式

1.在按键中断程序中，可以循环判断几十亳秒，发现电平稳定之后再上报

弊端：太耗时，违背"中断要尽快处理"的原则，你的系统会很卡

2.使用定时器

**核心在于：**在GPIO中断中并不立刻记录按键值，而是修改定时器超时时间，10ms 后再处理。

如果10ms内又发生了GPIO中断，那就认为是抖动，这时再次修改超时时间为10ms。
只有10ms 之内再无GPIO中断发生，那么定时器的函数才会被调用。在定时器函数中记录按键值。

2.mmap

应用程序和驱动程序之间传递数据时，可以通过read、write函数进行。这涉及在用户态buffer和内核态buffer之间传数据，如下图所示：

应用程序不能直接读写驱动程序中的 buffer，需要在用户态 buffer 和内核态buffer之间进行一次数据拷贝。这种方式在数据量比较小时没什么问题；但是数据量比较大时效率就太低了。比如更新LCD显示时，如果每次都让APP传递一帧数据给内核，假设 LCD 采用 1024*600* 32bpp 的格式，一帧数据就有 1024**600**32/8=2.3MB 左右，这无法忍受。

改进的方法就是让程序可以直接读写驱动程序中的 buffer，这可以通过 mmap 实现(memory map)，把内核的buffer映射到用户态，让APP在用户态直接读写。

2.1 内存映射现象与数据结构

假设有这样的程序，名为test.c：

#include <stdio.h> 
#include <unistd.h> 
#include <stdlib.h> 
int a; 
int main(int argc, char **argv) 
{ 
    if (argc != 2) 
    { 
    printf("Usage: %s <number>\n", argv[0]); 
    return -1; 
    } 
    a = strtol(argv[1], NULL, 0); 
    printf("a's address = 0x%lx, a's value = %d\n", &a, a); 
    while (1) 
    { 
    sleep(10); 
    } 
    return 0; 
}

在PC上如下编译(必须静态编译)：

gcc  -o  test  test.c  -staitc

分别执行test程序2次，最后执行ps，可以看到这2个程序同时存在，这2个程序里a变量的地址相同，但是值不同。如下图：

观察到这些现象：

2个程序同时运行，它们的变量a的地址都是一样的：0x6bc3a0；
2个程序同时运行，它们的变量a的值是不一样的，一个是12，另一个是123。

疑问来了：

这2个程序同时在内存中运行，它们的值不一样，所以变量a的地址肯定不同；
但是打印出来的变量a的地址却是一样的。

这里要引入虚拟地址的概念：CPU发出的地址是虚拟地址，它经过 MMU(Memory Manage Unit，内存管理单元)映射到物理地址上，对于不同进程的同一个虚拟地址，MMU会把它们映射到不同的物理地址。如下图：

当前运行的是app1时，MMU会把CPU发出的虚拟地址addr映射为物理地址 paddr1，用paddr1去访问内存。
当前运行的是app2时，MMU会把CPU发出的虚拟地址addr映射为物理地址 paddr2，用paddr2去访问内存。
MMU负责把虚拟地址映射为物理地址，虚拟地址映射到哪个物理地址去？

可以执行ps命令查看进程ID，然后执行"cat /proc/325/maps"得到映射关系。

每一个APP在内核里都有一个tast_struct，这个结构体中保存有内存信息：mm_struct。而虚拟地址、物理地址的映射关系保存在页目录表中，如下图所示：

解析如下：

每个APP在内核中都有一个task_struct结构体，它用来描述一个进程；
每个APP都要占据内存，在task_struct中用mm_struct来管理进程占用的内存；
- 内存有虚拟地址、物理地址，mm_struct中用mmap来描述虚拟地址，用pgd来描述对应的物理地址。
- **注意：**pgd，Page Global Directory，页目录。
每个APP都有一系列的VMA：virtual memory
- 比如APP含有代码段、数据段、BSS段、栈等等，还有共享库。这些单元会保存在内存里，它们的地址空间不同，权限不同(代码段是只读的可运行的、数据段可读可写)，内核用一系列的vm_area_struct来描述它们。
- vm_area_struct 中的 vm_start、vm_end是虚拟地址。
vm_area_struct 中虚拟地址如何映射到物理地址去？
- 每一个APP的虚拟地址可能相同，物理地址不相同，这些对应关系保存在pgd中。

2.2 ARM 架构内存映射简介

ARM 架构支持一级页表映射，也就是说MMU根据CPU发来的虚拟地址可以找到第1个页表，从第1个页表里就可以知道这个虚拟地址对应的物理地址。一级页表里地址映射的最小单位是1M。

ARM 架构还支持二级页表映射，也就是说MMU根据CPU发来的虚拟地址先找到第1个页表，从第1个页表里就可以知道第2级页表在哪里；再取出第2级页表，从第2个页表里才能确定这个虚拟地址对应的物理地址。二级页表地址映射的最小单位有4K、1K，Linux使用4K。

一级页表项里的内容，决定了它是指向一块物理内存，还是指问二级页表，如下图：

2.2.1 一级页表映射过程

一线页表中每一个表项用来设置1M的空间，对于32位的系统，虚拟地址空间有4G，4G/1M=4096。所以一级页表要映射整个4G空间的话，需要4096个页表项。

第0个页表项用来表示虚拟地址第0个1M(虚拟地址为0～0xFFFFF)对应哪一块物理内存，并且有一些权限设置；

第1个页表项用来表示虚拟地址第1个1M(虚拟地址为 0x100000～ 0x1FFFFF)对应哪一块物理内存，并且有一些权限设置；

依次类推。

使用一级页表时，先在内存里设置好各个页表项，然后把页表基地址告诉MMU，就可以启动MMU了。

以下图为例介绍地址映射过程：

a) CPU发出虚拟地址vaddr，假设为0x12345678

b) MMU根据vaddr[31:20]找到一级页表项：

◆ 虚拟地址0x12345678是虚拟地址空间里第0x123个1M，所以找到页表里第0x123项，根据此项内容知道它是一个段页表项。

段内偏移是0x45678。

c) 从这个表项里取出物理基地址：Section Base Address，假设是 0x81000000

d) 物理基地址加上段内偏移得到：0x81045678 所以CPU要访问虚拟地址0x12345678时，实际上访问的是0x81045678的物理地址。

2.2.2 二级页表映射过程

首先设置好一级页表、二级页表，并且把一级页表的首地址告诉MMU。

以下图为例介绍地址映射过程：

CPU发出虚拟地址vaddr，假设为0x12345678
MMU根据vaddr[31:20]找到一级页表项：

虚拟地址0x12345678 是虚拟地址空间里第0x123个1M，所以找到页表里第0x123项。根据此项内容知道它是一个二级页表项。

从这个表项里取出地址，假设是address，这表示的是二级页表项的物理地址；
vaddr[19:12]表示的是二级页表项中的索引index即0x45，在二级页表项中找到第0x45项；
二级页表项格式如下：

里面含有这4K或1K物理空间的基地址page base addr，假设是 0x81889000：它跟vaddr[11:0]组合得到物理地址：0x81889000 + 0x678 = 0x81889678。所以CPU要访问虚拟地址0x12345678时，实际上访问的是0x81889678的物理地址

2.2.3 应用程序新建内存映射

2.2.3.1 mmap调用过程

要给APP新开劈一块虚拟内存，并且让它指向某块内核buffer，具体操作:

1.得到一个vm_area_struct，它表示APP的一块虚拟内存空间；APP 调用 mmap 系统函数时，内核就帮我们构造了一个 vm_area_stuct 结构体。里面含有虚拟地址的地址范围、权限。

2.确定物理地址：你想映射某个内核buffer，你需要得到它的物理地址

3.给vm_area_struct和物理地址建立映射关系：内核提供有相关函数。

APP 里调用mmap时，导致的内核相关函数调用过程如下：

2.2.3.2 cache和buffer

使用mmap时，需要有cache、buffer的知识。下图是CPU 和内存之间的关系，有cache、buffer(写缓冲器)。Cache是一块高速内存；写缓冲器相当于一个FIFO，可以把多个写操作集合起来一次写入内存。

程序运行时有"局部性原理"，这又分为时间局部性、空间局部性。

时间局部性：在某个时间点访问了存储器的特定位置，很可能在一小段时间里，会反复地访问这个位置。
空间局部性：访问了存储器的特定位置，很可能在不久的将来访问它附近的位置。
而CPU的速度非常快，内存的速度相对来说很慢。CPU要读写比较慢的内存时，怎样可以加快速度？根据"局部性原理"，可以引入cache。

1.读取内存addr处的数据时：

◼ 先看看cache中有没有addr的数据，如果有就直接从cache里返回数据：这被称为cache命中。

◼ 如果cache中没有addr 的数据，则从内存里把数据读入，注意：它不是仅仅读入一个数据，而是读入一行数据(cache line)。

◼ 而CPU很可能会再次用到这个addr的数据，或是会用到它附近的数据，这时就可以快速地从cache中获得数据。

2.写数据：

◼ CPU要写数据时，可以直接写内存，这很慢；也可以先把数据写入cache，这很快。

◼ 但是cache中的数据终究是要写入内存的啊，这有2种写策略：

a) 写通(write through)：

◆ 数据要同时写入cache和内存，所以cache和内存中的数据保持一致，但是它的效率很低。能改进吗？可以！使用"写缓冲器"： cache 大哥，你把数据给我就可以了，我来慢慢写，保证帮你写完。

◆ 有些写缓冲器有"写合并"的功能，比如CPU执行了4条写指令：写第0、1、2、3个字节，每次写1字节；写缓冲器会把这4个写操作合并成一个写操作：写word。对于内存来说，这没什么差别，但是对于硬件寄存器，这就有可能导致问题。

◆ 所以对于寄存器操作，不会启动buffer功能；对于内存操作，比如LCD的显存，可以启用buffer功能。

b) 写回(write back)：

◆ 新数据只是写入cache，不会立刻写入内存，cache和内存中的数据并不一致。

◆ 新数据写入cache 时，这一行cache 被标为"脏"(dirty)；当 cache 不够用时，才需要把脏的数据写入内存。

使用写回功能，可以大幅提高效率。但是要注意cache和内存中的数据很可能不一致。这在很多时间要小心处理：比如CPU产生了新数据，DMA把数据从内存搬到网卡，这时候就要CPU执行命令先把新数据从cache刷到内存。反过来也是一样的，DMA从网卡得过了新数据存在内存里，CPU读数据之前先把cache 中的数据丢弃。

是否使用 cache、是否使用 buffer，就有 4 种组合(Linux 内核文件 arch\arm\include\asm\pgtable-2level.h)：

上面4种组合对应下表中的各项，一一对应(下表来自s3c2410芯片手册，高架构的cache、buffer更复杂，但是这些基础知识没变)：

第1种是不使用cache也不使用buffer，读写时都直达硬件，这适合寄存器的读写。
第2种是不使用cache但是使用buffer，写数据时会用buffer进行优化，可能会有"写合并"，这适合显存的操作。因为对显存很少有读操作，基本都是写操作，而写操作即使被"合并"也没有关系。
第3种是使用cache不使用buffer，就是"write through"，适用于只读设备：在读数据时用cache加速，基本不需要写。
第4种是既使用cache又使用buffer，适合一般的内存读写。

2.2.4 驱动程序

驱动程序要做的事情有3点：

1.确定物理地址

2.确定属性：是否使用cache、buffer

3.建立映射关系

参考Linux源文件，示例代码如下：

还有一个更简单的函数：

2.2.5 编程

在驱动程序中申请一个8K的buffer，让APP通过mmap能直接访问。

2.2.5.1 APP编程

open驱动、buf=mmap(......)映射内存，直接读写buf就可以了，代码如下：

22      /* 1. 打开文件 */ 
23      fd = open("/dev/hello", O_RDWR); 
24      if (fd == -1) 
25      { 
26              printf("can not open file /dev/hello\n"); 
27              return -1; 
28      } 
29 
30      /* 2. mmap 
31       * MAP_SHARED  : 多个APP都调用mmap映射同一块内存时, 对内存的修改大家都可以看到。 
32       *               就是说多个APP、驱动程序实际上访问的都是同一块内存 
33       * MAP_PRIVATE : 创建一个copy on write的私有映射。 
34       *               当APP对该内存进行修改时，其他程序是看不到这些修改的。 
35       *               就是当APP写内存时, 内核会先创建一个拷贝给这个APP, 
36       *               这个拷贝是这个APP私有的, 其他APP、驱动无法访问。 
37       */ 
38      buf =  mmap(NULL, 1024*8, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); 
39      if (buf == MAP_FAILED) 
40      { 
41              printf("can not mmap file /dev/hello\n"); 
42              return -1; 
43      }

最难理解的是mmap函数MAP_SHARED、MAP_PRIVATE参数。使用 MAP_PRIVATE映射时，在没有发生写操作时，APP、驱动访问的都是同一块内存；当APP发起写操作时，就会触发"copy on write"，即内核会先创建该内存块的拷贝，APP的写操作在这个新内存块上进行，这个新内存块是APP私有的，别的APP、驱动看不到。

仅用MAP_SHARED参数时，多个APP、驱动读、写时，操作的都是同一个内存块，"共享"。

MAP_PRIVATE映射是很有用的，Linux中多个APP都会使用同一个动态库，在没有写操作之前大家都使用内存中唯一一份代码。当APP1发起写操作时，内核会为它复制一份代码，再执行写操作，APP1就有了专享的、私有的动态库，在里面做的修改只会影响到APP1。其他程序仍然共享原先的、未修改的代码。

有了这些知识后，下面的代码就容易理解了，请看代码中的注释：

45      printf("mmap address = 0x%x\n", buf); 
46      printf("buf origin data = %s\n", buf); /* old */ 
47 
48      /* 3. write */ 
49      strcpy(buf, "new"); 
50 
51      /* 4. read & compare */ 
52      /* 对于MAP_SHARED映射:  str = "new" 
53       * 对于MAP_PRIVATE映射: str = "old" 
54       */ 
55      read(fd, str, 1024); 
56      if (strcmp(buf, str) == 0) 
57      { 
58              /* 对于MAP_SHARED映射，APP写的数据驱动可见 
59               * APP和驱动访问的是同一个内存块 
60               */ 
61              printf("compare ok!\n"); 
62      } 
63      else 
64      { 
65              /* 对于MAP_PRIVATE映射，APP写数据时, 是写入另一个内存块(是原内存块的"拷贝") 
66               */ 
67              printf("compare err!\n"); 
68              printf("str = %s!\n", str);  /* old */ 
69              printf("buf = %s!\n", buf);  /* new */ 
70      }

执行测试程序后，查看到它的进程号PID，执行这样的命令查看这个程序的内存使用情况：

[root@100ask:~]# cat  /proc/PIC/maps

2.2.5.2 驱动编程

1.分配一块8K的内存

我们应该使用kmalloc或kzalloc，这样得到的内存物理地址是连续的，在mmap时后APP才可以使用同一个基地址去访问这块内存。(如果物理地址不连续，就要执行多次mmap了)。

2.提供mmap函数

关键在于mmap函数，代码如下：

要注意的是，remap_pfn_range中，pfn的意思是"Page Frame Number"。在Linux中，整个物理地址空间可以分为第0页、第1页、第2页，诸如此类，这就是pfn。假设每页大小是4K，那么给定物理地址phy，它的pfn = phy / 4096 = phy >> 12。内核的page一般是4K，但是也可以配置内核修改page 的大小。所以为了通用，pfn = phy >> PAGE_SHIFT。

APP 调用mmap后，会导致驱动程序的mmap函数被调用，最终APP的虚拟地址和驱动程序中的物理地址就建立了映射关系。APP可以直接访问驱动程序的 buffer。