Linux应用与驱动开发：mmap和内存映射

学习笔记：Linux 驱动开发之 `mmap` 与内存映射

1. 核心概念：什么是 `mmap`？

mmap (Memory Map) 是一种内存映射文件的方法。在嵌入式 Linux 驱动开发中，它主要用于将外设的物理地址（如 GPIO 寄存器）映射到用户进程的虚拟地址空间。

传统方式 ：用户态 read/write <--> 内核态拷贝数据 <--> 驱动操作寄存器。
mmap 方式 ：用户态指针 <--> MMU 直接转换 <--> 硬件寄存器。（零拷贝，速度极快）

2. 核心难点：用户虚拟地址 vs 内核虚拟地址

这是理解 Linux 内存管理的关键分水岭。

2.1 对比图表

特性	用户虚拟地址 (UVA)	内核虚拟地址 (KVA)
定义	应用程序看到的地址。	操作系统内核驱动看到的地址。
地址范围 (32位)	`0x00000000` ~ `0xBFFFFFFF` (0~3G)	`0xC0000000` ~ `0xFFFFFFFF` (3G~4G)
可见性	私有。进程A和进程B的 `0x1000` 互不相干。	全局共享。所有进程进入内核态后看到的都是同一份。
映射工具	`mmap()`	`ioremap()`
访问权限	仅当前进程有效，进程结束即销毁。	系统启动即存在，只有内核代码可读写。
物理对应	通常不连续，按需分配（缺页中断）。	逻辑地址线性映射，`vmalloc`/`ioremap` 非线性。

2.2 它们与物理地址的关系

假设 i.MX6ULL 的一个 LED 寄存器物理地址是 0x0209C000：

CPU/MMU ：只认物理地址 0x0209C000。
驱动程序 (KVA) ：通过 ioremap 拿到一个地址（如 0xF0001000）。驱动写 0xF0001000 -> MMU 查表 -> 写入物理地址。
应用程序 (UVA) ：通过 mmap 拿到一个地址（如 0xB7001000）。应用写 0xB7001000 -> MMU 查表 -> 写入物理地址。

结论：UVA 和 KVA 就像是通往同一个房间（物理地址）的两扇不同的门。一扇门开在"用户公寓"（0-3G），另一扇门开在"管理员办公室"（3-4G）。

3. `mmap` 的实现流程（驱动与应用配合）

3.1 应用程序做了什么？

应用程序中的mmap最终会调用驱动中实现的 .mmap 接口（即下面的 my_driver_mmap 函数）

C 复制代码

int fd = open("/dev/my_led", O_RDWR);
// 申请映射：从 offset 0 开始，映射 4096 字节
unsigned char *addr = mmap(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);

// 直接操作硬件！
*addr = 0x01; // 点灯

3.2 驱动程序做了什么？ (`fops.mmap`)

驱动的核心任务是构建页表。

获取物理地址 ：知道你要操作哪个寄存器（例如 0x0209C000）。
计算页帧号 (PFN) ：Linux 内存管理以"页"为单位（通常 4KB）。
- PFN = 物理地址 >> PAGE_SHIFT (即除以 4096)。
调用 remap_pfn_range：这是核心函数。它负责修改当前进程的页表，建立 UVA 到物理地址的映射。

C 复制代码

// 驱动代码示例
static int my_driver_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma)
{
    unsigned long phy_addr = 0x0209C000; // 硬件物理地址
    
    // 关键：设置为不使用缓存 (Nocache)！否则寄存器读写会出错
    vma->vm_page_prot = pgprot_noncached(vma->vm_page_prot);

    // 建立映射：把 vma->vm_start (应用层的UVA) 映射到 phy_addr (物理地址)
    if (remap_pfn_range(vma, 
                        vma->vm_start,      // 用户虚拟地址起始
                        phy_addr >> PAGE_SHIFT, // 物理地址页帧号
                        vma->vm_end - vma->vm_start, // 映射大小
                        vma->vm_page_prot)) // 属性：无缓存
    {
        return -EAGAIN;
    }
    return 0;
}

4. 关键细节与注意事项

4.1 为什么要 `pgprot_noncached`？

原因：对于硬件寄存器，必须禁止 CPU 缓存 (Cache)。
后果：如果不加这一行，应用程序写数据可能只写到了 Cache 里，LED 灯根本不会亮，或者读取的状态是旧的。

4.2 为什么映射大小通常是 4KB (4096)？

MMU 管理内存的最小单位是一页 (Page)，ARM Linux 默认页大小是 4096 字节。
即使你只需要操作 4 个字节的寄存器，mmap 也会映射整整一页（4096 字节）。因此，你在计算偏移量时要小心。

4.3 `ioremap` 和 `mmap` 的关系

驱动程序自己要访问寄存器 -> 用 ioremap。
驱动程序想让应用程序直接访问寄存器 -> 实现 .mmap 接口（内部调用 remap_pfn_range）。
通常一个驱动里这两个都会用到。

5. 总结

物理地址是唯一的真理，但被 CPU 藏在了 MMU 后面。
KVA (内核虚拟地址) 是驱动在内核态用的，通过 ioremap 映射。
UVA (用户虚拟地址) 是应用在用户态用的，通过 mmap 系统调用请求，由驱动协助映射。
remap_pfn_range 是连接 UVA 和物理地址的桥梁。

下一步实践建议：

在韦东山的开发板上，你可以写一个简单的程序，利用 /dev/mem 这个系统自带的驱动节点。它已经实现了 mmap 功能。你可以尝试用 mmap 映射 GPIO 的物理基地址，然后在应用层直接点亮 LED，这将是你理解这一概念最直观的实验。