驅(qū)動之路-內(nèi)存管理機制及mmap方法

一、重點知識

1. Linux內(nèi)存管理機制

Linux 2.6.29內(nèi)核為每種CPU提供統(tǒng)一的界面，采用四級頁面管理構(gòu)架。來兼容二級、三級、四級管理架構(gòu)的CPU。通過頁式管理機制完成虛擬地址（線性地址）到物理地址的映射。一般每個頁大小為4K。cr3寄存器中保存了創(chuàng)建進程時分配的值。

Linux操作系統(tǒng)采用虛擬內(nèi)存管理技術(shù)，使得每個進程都有獨立的進程地址空間，該空間大小是3G，用戶看到和接觸的都是虛擬地址，無法看到實際的物理地址。利用這種虛擬地址不但能起到保護操作系統(tǒng)的作用，而且更重要的是用戶程序可使用比實際物理內(nèi)存更大的地址空間。

Linux將4G的虛擬地址空間劃分為兩個部分——用戶空間與內(nèi)核空間。用戶空間從0到0xbfffffff,內(nèi)核空間從3G到4G。用戶進程通常情況下只能訪問用戶空間的虛擬地址，不能訪問內(nèi)核空間，例外是用戶進程通過系統(tǒng)調(diào)用訪問內(nèi)核空間。

每個用戶空間是完全獨立的，互不想干的。用戶空間對應(yīng)進程，所有每當進程切換，用戶空間就會跟著變化。

實際的物理內(nèi)存只有當進程真的去訪問新獲取的虛擬地址時，才會由“請頁機制”產(chǎn)生“缺頁異?！保瑥亩M入分配實際頁框程序。

內(nèi)核空間是由內(nèi)核負責映射，它并不會跟著進程改變，是固定的。

物理內(nèi)存896MB以上的部分稱之為高端內(nèi)存。

2. mmap方法

實現(xiàn)mmap方法，驅(qū)動程序只需要為該地址范圍建立合適的頁表，并將vma->ops替換成一系列的新操作就可以了。

void *mmap(void *addr, size_t len, intprot, int flags, int fd, off_t offset)

內(nèi)存映射函數(shù)，負責把文件內(nèi)存映射到虛擬內(nèi)存空間,返回映射地址空間地址。

參數(shù)說明：

addr:指定映射的起始地址，通常設(shè)為NULL，由系統(tǒng)指定。

length:映射到內(nèi)存的文件長度

prot:映射區(qū)的保護模式，可以是PROT_EXEC(可執(zhí)行)、PROT_READ（可讀）、PROT_WRITE（可寫）。

flag:映射區(qū)的特性，可以是

MAP_SHARED:寫入映射區(qū)的數(shù)據(jù)會復(fù)制回文件，且允許其他映射該文件的進程共享。

MAP_PRIVATE：對映射區(qū)的寫入操作會產(chǎn)生一個映射區(qū)的復(fù)制，對此區(qū)域的修改不會寫回原文件。

fd:要映射的文件描述符

offet:以文件開始出的偏移量，通常為0，從文件頭開始映射。

int munmap(void *start, size_t length)

解除映射。

struct vm_area_struct

內(nèi)核用來描述虛擬內(nèi)存區(qū)域的結(jié)構(gòu)。

int remap_pfn_range(structvm_area_struct *vma, unsigned long virt_add, unsigned long pfn, unsigned longpfn, unsigned long size, pgprot_t prot)

int io_remap_page_range(structvm_area_struct *vma, unsignde long virt_add, unsigned long phys_add, unsignedlong size, pgprot_t prot)

mmap的核心函數(shù)。他們映射了物理地址中從pfn表示的頁號開始的size個字節(jié)到虛擬地址virt_add上。相關(guān)虛擬地址的保護位在port中指定。如果目標地址在I/O地址空間的話，使用io_remap_page_range函數(shù)。

二、驅(qū)動代碼

staticint?mem_mmap(struct?file?*filp,?struct?vm_area_struct?*vma)??

{??

intret?=?0;??

structmem_dev?*dev;??

dev=?filp->private_data;??

ret?=?remap_pfn_range(vma,vma->vm_start,?virt_to_phys(dev->data)>>PAGE_SHIFT,?vma->vm_end-?vma->vm_start,?vma->vm_page_prot);??????????//建立頁表??????

if(ret)??

return-EAGAIN;??

returnret;??

}??

static?const?struct?file_operationsmem_fops?=?{??

.owner=?THIS_MODULE,??

.open=?mem_open,??

.write=?mem_write,??

.read=?mem_read,??

.release=?mem_release,??

.llseek=?mem_llseek,??

.ioctl=?mem_ioctl,??

.poll=?mem_poll,??

.mmap=?mem_mmap,??

};??

staticint mem_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma){intret = 0;structmem_dev *dev;dev= filp->private_data;ret = remap_pfn_range(vma,vma->vm_start, virt_to_phys(dev->data)>>PAGE_SHIFT, vma->vm_end- vma->vm_start, vma->vm_page_prot); //建立頁表if(ret)return-EAGAIN;returnret;}static const struct file_operationsmem_fops = {.owner= THIS_MODULE,.open= mem_open,.write= mem_write,.read= mem_read,.release= mem_release,.llseek= mem_llseek,.ioctl= mem_ioctl,.poll= mem_poll,.mmap= mem_mmap,};


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