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如何解析Linux驱动中mmap内存映射

发表于：2025-02-03 作者：千家信息网编辑

千家信息网最后更新 2025年02月03日，今天就跟大家聊聊有关如何解析Linux驱动中mmap内存映射，可能很多人都不太了解，为了让大家更加了解，小编给大家总结了以下内容，希望大家根据这篇文章可以有所收获。mmap在linux哪里？什么是mm

千家信息网最后更新 2025年02月03日如何解析Linux驱动中mmap内存映射

今天就跟大家聊聊有关如何解析Linux驱动中mmap内存映射，可能很多人都不太了解，为了让大家更加了解，小编给大家总结了以下内容，希望大家根据这篇文章可以有所收获。

mmap在linux哪里？

什么是mmap？

上图说了，mmap是操作这些设备的一种方法，所谓操作设备，比如IO端口（点亮一个LED）、LCD控制器、磁盘控制器，实际上就是往设备的物理地址读写数据。

但是，由于应用程序不能直接操作设备硬件地址，所以操作系统提供了这样的一种机制--内存映射，把设备地址映射到进程虚拟地址，mmap就是实现内存映射的接口。

操作设备还有很多方法，如ioctl、ioremap

mmap的好处是，mmap把设备内存映射到虚拟内存，则用户操作虚拟内存相当于直接操作设备了，省去了用户空间到内核空间的复制过程，相对IO操作来说，增加了数据的吞吐量。

什么是内存映射？

既然mmap是实现内存映射的接口，那么内存映射是什么呢？看下图

驱动程序运行在内核空间，所以驱动程序是面向所有进程的。

用户空间切换到内核空间有两种方法：

（1）系统调用，即软中断

（2）硬件中断

虚拟地址空间里面是什么？

了解了什么是虚拟地址空间，那么虚拟地址空间里面装的是什么？看下图

现在已经知道了内存映射是把设备地址映射到进程空间地址（注意：并不是所有内存映射都是映射到进程地址空间的，ioremap是映射到内核虚拟空间的，mmap是映射到进程虚拟地址的），实质上是分配了一个vm_area_struct结构体加入到进程的地址空间，也就是说，把设备地址映射到这个结构体，映射过程就是驱动程序要做的事了。

内存映射的实现

以字符设备驱动为例，一般对字符设备的操作都如下框图

以下是mmap_driver.c的源代码

[cpp] view plain copy

//所有的模块代码都包含下面两个头文件
#include
#include
#include //定义dev_t类型
#include //定义struct cdev结构体及相关操作
#include //定义kmalloc接口
#include //定义virt_to_phys接口
#include //remap_pfn_range
#include
#define MAJOR_NUM 990
#define MM_SIZE 4096
static char driver_name[] = "mmap_driver1";//驱动模块名字
static int dev_major = MAJOR_NUM;
static int dev_minor = 0;
char *buf = NULL;
struct cdev *cdev = NULL;
static int device_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
printk(KERN_ALERT"device open\n");
buf = (char *)kmalloc(MM_SIZE, GFP_KERNEL);//内核申请内存只能按页申请，申请该内存以便后面把它当作虚拟设备
return 0;
}
static int device_close(struct inode *indoe, struct file *file)
{
printk("device close\n");
if(buf)
{
kfree(buf);
}
return 0;
}
static int device_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma)
{
vma->vm_flags |= VM_IO;//表示对设备IO空间的映射
vma->vm_flags |= VM_RESERVED;//标志该内存区不能被换出，在设备驱动中虚拟页和物理页的关系应该是长期的，应该保留起来，不能随便被别的虚拟页换出
if(remap_pfn_range(vma,//虚拟内存区域，即设备地址将要映射到这里
vma->vm_start,//虚拟空间的起始地址
virt_to_phys(buf)>>PAGE_SHIFT,//与物理内存对应的页帧号，物理地址右移12位
vma->vm_end - vma->vm_start,//映射区域大小，一般是页大小的整数倍
vma->vm_page_prot))//保护属性，
{
return -EAGAIN;
}
return 0;
}
static struct file_operations device_fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.open = device_open,
.release = device_close,
.mmap = device_mmap,
};
static int __init char_device_init( void )
{
int result;
dev_t dev;//高12位表示主设备号，低20位表示次设备号
printk(KERN_ALERT"module init2323\n");
printk("dev=%d", dev);
dev = MKDEV(dev_major, dev_minor);
cdev = cdev_alloc();//为字符设备cdev分配空间
printk(KERN_ALERT"module init\n");
if(dev_major)
{
result = register_chrdev_region(dev, 1, driver_name);//静态分配设备号
printk("result = %d\n", result);
}
else
{
result = alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, driver_name);//动态分配设备号
dev_major = MAJOR(dev);
}
if(result < 0)
{
printk(KERN_WARNING"Cant't get major %d\n", dev_major);
return result;
}
cdev_init(cdev, &device_fops);//初始化字符设备cdev
cdev->ops = &device_fops;
cdev->owner = THIS_MODULE;
result = cdev_add(cdev, dev, 1);//向内核注册字符设备
printk("dffd = %d\n", result);
return 0;
}
static void __exit char_device_exit( void )
{
printk(KERN_ALERT"module exit\n");
cdev_del(cdev);
unregister_chrdev_region(MKDEV(dev_major, dev_minor), 1);
}
module_init(char_device_init);//模块加载
module_exit(char_device_exit);//模块退出
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("ChenShengfa");

下面是测试代码test_mmap.c

[cpp] view plain copy

#include
#include
#include
#include
#include
int main( void )
{
int fd;
char *buffer;
char *mapBuf;
fd = open("/dev/mmap_driver", O_RDWR);//打开设备文件，内核就能获取设备文件的索引节点，填充inode结构
if(fd<0)
{
printf("open device is error,fd = %d\n",fd);
return -1;
}
/*测试一：查看内存映射段*/
printf("before mmap\n");
sleep(15);//睡眠15秒，查看映射前的内存图cat /proc/pid/maps
buffer = (char *)malloc(1024);
memset(buffer, 0, 1024);
mapBuf = mmap(NULL, 1024, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);//内存映射，会调用驱动的mmap函数
printf("after mmap\n");
sleep(15);//睡眠15秒，在命令行查看映射后的内存图，如果多出了映射段，说明映射成功
/*测试二：往映射段读写数据，看是否成功*/
strcpy(mapBuf, "Driver Test");//向映射段写数据
memset(buffer, 0, 1024);
strcpy(buffer, mapBuf);//从映射段读取数据
printf("buf = %s\n", buffer);//如果读取出来的数据和写入的数据一致，说明映射段的确成功了
munmap(mapBuf, 1024);//去除映射
free(buffer);
close(fd);//关闭文件，最终调用驱动的close
return 0;
}