14 地址映射

1、地址划分

• 明确：在linux系统中,不管是应用程序还是驱动程序，都不允许直接访问外设的物理地址,要想访问必须将物理地址映射到用户虚拟地址或者内核虚拟地址，一旦映射完毕,应用或者内核程序访问映射的虚拟地址，就是在访问实际的物理地址
• 在linux系统中,4G虚拟地址空间的划分
  用户虚拟地址范围：0x00000000~0xBFFFFFFF
  内核虚拟地址范围：0xC0000000~0xFFFFFFFF
• 如何将物理地址映射到内核虚拟地址？- 利用ioremap函数
• 如何将物理地址映射到用户虚拟地址？- 利用mmap
• 一个物理地址可以有多个虚拟地址，一个虚拟地址不能有多个物理地址

2、相关函数

2.1 ioremap/iounmap

void *ioremap(unsigned long phy_address, unsigned long len)
- 功能：将物理地址映射到内核虚拟地址
- 参数：- phy_address:传递要映射的起始的物理地址- len:传递要映射的物理地址空间的大小
- 返回值：返回映射的起始内核虚拟地址
void iounmap(void *vir_address)
- 功能：解除物理地址和内核虚拟地址的映射关系
- 参数：vir_address:传递映射好的起始内核虚拟地址

• 案例：使用地址映射操作gpio

  寄存器     		  物理地址		 内核虚拟地址 
GPIOCALTFN0			0xC001C020		  gpiocaltfn0
GPIOCOUTENB			0xC001C004		  gpiocoutenb
GPIOCOUTENB			0xC001C000		  gpiocout 
//地址映射,两种方案：
方案1：unsigned long *gpiocout, *gpiocoutenb, *gpiocaltfn0;gpiocout = ioremap(0xC001C000, 4)；gpiocoutenb = ioremap(0xC001C004, 4)；gpiocaltfn0 = ioremap(0xC001C020, 4)；方案2：由于寄存器的物理地址空间都是连续的,所以连续映射：void *gpiobase;unsigned long *gpiocout, *gpiocoutenb, *gpiocaltfn0;gpiobase = ioremap(0xC001C000, 0x24);//地址换算gpiocout = (unsigned long *)(gpiobase + 0x00);gpiocoutenb = (unsigned long *)(gpiobase + 0x04);gpiocaltfn0 = (unsigned long *)(gpiobase + 0x20);//配置模式
*gpiocaltfn0 &= ~(3 << 24);
*gpiocaltfn0 |= (1 << 24);//使能
*gpiocoutenb |= (1 << 12);//输出
*gpiocout |= (1 << 12);
*gpiocout &= ~(1 << 12);

案例：实现一个软件能够编辑处理器任意一个寄存器
驱动代码

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/io.h> //ioremap/iounmap
#include <linux/uaccess.h>
//描述寄存器操作信息的结构体
struct reg_info {unsigned long phy_address; //寄存器物理地址unsigned long data;		   //寄存器数据
};#define REG_WRITE 	0x100001 	//写寄存器命令
#define REG_READ	0x100002	//读寄存器命令
static long reg_ioctl(struct file *file,unsigned int cmd,unsigned long buf) {unsigned long *gpiobase;struct reg_info kreg;copy_from_user(&kreg,(struct reg_info *)buf,sizeof(kreg));//结果：kreg.phy_address=物理地址,kreg.data=?//将寄存器物理地址映射到内核虚拟地址gpiobase = ioremap(kreg.phy_address, 4);if(gpiobase == NULL) {printk("ioremap failed.\n");return -1;}switch(cmd) {case REG_WRITE:*gpiobase = kreg.data;break;case REG_READ:kreg.data = *gpiobase;copy_to_user((struct reg_info *)buf,&kreg, sizeof(kreg));break;}//解除地址映射iounmap(gpiobase);return 0;
}
static struct file_operations reg_fops = {.unlocked_ioctl = reg_ioctl
};
static struct miscdevice reg_misc = {.name = "reg",.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,.fops = &reg_fops
};
static int reg_init(void) {misc_register(&reg_misc);return 0;
};
static void reg_exit(void){misc_deregister(&reg_misc);
};module_init(reg_init);
module_exit(reg_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

应用程序

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
struct reg_info {unsigned long phy_address; //寄存器物理地址unsigned long data;		   //寄存器数据
};
#define REG_WRITE	0x100001	//写寄存器命令
#define REG_READ	0x100002	//读寄存器命令
int main(int argc, char *argv[]) {int fd;struct reg_info reg; //暂存寄存器的操作信息if((argc != 3) && (argc != 4)) {printf("Usage: %s w address data\n", argv[0]);printf("%s r address\n", argv[0]);return -1;}fd = open("/dev/reg", O_RDWR);if(fd < 0) {printf("open reg test device failed.\n");return -1;}if(!strcmp(argv[1], "w")) {reg.phy_address = strtoul(argv[2], NULL, 0);reg.data = strtoul(argv[3], NULL, 0);ioctl(fd, REG_WRITE, &reg);} else if(!strcmp(argv[1], "r")) {reg.phy_address = strtoul(argv[2], NULL, 0);ioctl(fd, REG_READ, &reg);printf("%#x:%#x\n",reg.phy_address, reg.data);}close(fd);return 0;
}

测试

./btn_test w 0xC001C000 0xC84 # 开灯
./btn_test w 0xC001C000 0x1C84 # 关灯

• 字符串转整形标准C库函数：strtoul

unsigned long strtoul(char *pstr, char **ppstr, int n);
- 功能：字符串转整形,例如:"100"->100, "0100"->0100, "0x100"->0x100 
- 参数： - pstr: 传递转换的字符串首地址- ppstr:记录字符串中非整形数的子字符串首地址- n:指定转换进制
- 返回值：返回转换的整形数例如： 
char *pstr = "100";
int a = strtoul(pstr, NULL, 0); //结果：a=100
char *pstr = "0100";
int a = strtoul(pstr, NULL, 0); //结果：a=0100
char *pstr = "0x100";
int a = strtoul(pstr, NULL, 0); //结果：a=0x100
char *pstr = "100";
int a = strtoul(pstr, NULL, 16); //结果：a=0x64
char *pstr = "100abcd";
char *pstr1 = NULL; 
int a = strtoul(pstr, &pstr1, 0); //结果：a=100,pstr1 = "abcd"

2.2 mmap地址映射

mmap就是完成物理地址映射到用户虚拟地址用的

用户3G虚拟地址空间划分：
0x00000000-------------------------------------------------------0xBFFFFFFF代码段  数据段  BSS段  堆区   MMAP虚拟内存区      栈区---->  <------       <----

系统调用函数原型：

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,int fd, off_t offset);
- 功能：将物理地址空间映射到用户虚拟内存空间上			  
- 参数：- addr:给NULL,让linux内核帮你在用户虚拟内存区域找一块空间内存用来映射物理地址- length：让linux内核帮你找空闲用户虚拟内存的大小;切记：大小必须是页面大小(4KB)的整数倍- prot:描述内核帮你找的空闲用户虚拟内存的访问权限一般指定为：PROT_READ|PROT_WRITE- flags：其余属性,一般指定为：MAP_SHARED- fd:硬件外设- offset:偏移量,一般给0
- 返回值：linux内核将空闲的用户虚拟内存的首地址进行返回,这个起始用户虚拟地址同样也是4KB整数倍

参考代码：

void *addr;
int fd = open("a.txt", O_RDWR);
addr = mmap(NULL, 0x1000, PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED, fd, 0);
说明：将文件a.txt映射到以addr起始的用户虚拟内存上,将来访问映射的用户虚拟内存就是访问文件
//向映射的用户虚拟内存拷贝字符串数据
本质是向文件a.txt写入数据
memcpy(addr, "hello,world", 12);

• 了解mmap系统调用函数所做的工作：
  1. 应用程序调用mmap,首先跑到C库的mmap函数定义
  2. C库的mmap函数作两件事：
     1.保存mmap系统调用号到r7寄存器
     2.调用swi/svc指令触发软中断异常
  3. 一旦触发软中断异常,CPU核立马处理软中断异常
     CPU核硬件自动做四件事:…
     软件进一步处理软中断异常(在内核空间完成)
  4. 最后进程跑到内核空间继续运行,跑到软中断异常的入口地址运行,做三件事：
     1.保护现场
     2.调用软中断异常处理函数,而此函数又做两件事：
     1.从r7寄存器中取出mmap系统调用号
     2.以mmap系统调用号为下标在内核的系统调用表中找到mmap对应的内核函数sys_mmap,而内核的sys_mmap做三件事：
     1. 内核的sys_mmap首先在当前进程的3G虚拟地址空间中找一块空闲的用户虚拟内存,将来用于和物理地址做映射
     2. 一旦找到空闲的用户虚拟内存,并且用户mmap本身也给用户虚拟内存指定了一堆的属性(大小,权限等)所以内核用struct vm_area_struct数据结构定义初始化一个对象来描述空闲的用户虚拟内存的属性
     3. 最后内核的sys_mmap调用底层驱动的mmap接口,并且内核sys_mmap将第2步创建的对象的地址也传递给底层驱动的mmap接口
     3.底层驱动mmap执行完毕,然后恢复现场状态恢复和跳转返回,至此mmap调用结束

struct vm_area_struct {
unsigned long vm_start; //空间用户虚拟内存的起始地址 等于mmap的返回值addr
unsigned long vm_end; //结束地址=vm_start+大小
pgprot_t vm_page_prot; //等于mmap传递的PROT_READ|PROT_READ|PROT_WRITE
unsigned long vm_flags; //等于mmap传递的MAP_SHARED
unsigned long vm_pgoff; //等于mmap传递的0
…
};

3.对应的底层驱动的mmap接口
```c
struct file_operations {int (*mmap) (struct file *file, struct vm_area_struct *vma);
};
- 功能：永远只能唯一做一件事：将已知的物理地址和已知的用户虚拟地址做映射,由于用户虚拟地址在用户空间,所以将来访问操作都是在应用程序完成,而不是在内核驱动完成,访问映射的用户虚拟地址就是在访问物理地址
- file：跟fd亲戚关系
- vma:指向内核sys_mmap创建的一个对象,此对象来描述空闲的用户虚拟内存的各种属性,将来底层驱动mmap接口利用此指针可以获取到用户虚拟内存的属性：vma->vm_start //获取起始用户虚拟地址vma->vm_end vma->vm_flagsvma->vm_page_prot

问：底层驱动的mmap接口到底如何最终完成映射呢？
因为已知物理地址可以看手册获取到,已知的用户虚拟地址通过vma指针能够获取到如何将两者关联在一起呢？
答：只需调用以下函数完成关联映射：

int remap_pfn_range(struct vm_area_struct *vma,unsigned long addr,unsigned long pfn, unsigned long size,pgprot_t prot);
- 功能：完成最终的地址映射
- 参数：- vma:传递内核sys_mmap创建的对象地址，也就是传递驱动mmap接口的第二个参数- addr:传递空闲的用户虚拟内存的首地址，也就是传递vma->vm_start- pfn：传递起始的物理地址>>12 切记：此物理地址大小必须是4KB(0x1000)整数倍例如：0xC001C000>>12:合法0xC001C004>>12:不合法- size：传递映射的用户虚拟内存的大小，也就是传递：vma->vm_end - vma->vm_start - prot:传递用户虚拟内存的访问权限，也就是传递:vma->vm_page_prot

案例：利用mmap实现开关灯操作
驱动代码

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/mm.h>static int btn_mmap(struct file *file,struct vm_area_struct *vma){remap_pfn_range(vma,// 指向用户虚拟内存属性vma->vm_start,// 起始用户虚拟地址0xC001C000 >> 12,// 起始物理地址 (4KB为单位)vma->vm_end - vma->vm_start,// 大小vma->vm_page_prot // 读写访问权限);return 0;
}static struct file_operations btn_fops = {.mmap = btn_mmap // 地址映射接口
};static struct miscdevice btn_device={.name = "mybtn",.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,.fops = &btn_fops
};
static int btn_init(void){misc_register(&btn_device);return 0;
}
static void btn_exit(void){misc_deregister(&btn_device);
}module_init(btn_init);
module_exit(btn_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

应用程序

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
int main(int argc,char *argv[]){int fd;void* gpiobase;unsigned long *gpiocout;unsigned long *gpiocoutend;unsigned long *gpiocaltfn0;fd = open("/dev/mybtn",O_RDWR);if(fd<0){printf("open mybtn failed\n");return -1;}//将内核地址映射到用户虚拟地址gpiobase = mmap(NULL,0x1000,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);// 地址换算gpiocout = (unsigned long *)(gpiobase + 0x00);gpiocoutend = (unsigned long *)(gpiobase + 0x04);gpiocaltfn0 = (unsigned long *)(gpiobase + 0x20);// 配置输出*gpiocaltfn0 &=~(3<<24);*gpiocaltfn0 |=(1<<24);// 使能*gpiocoutend |=(1<<12);// 输出为1*gpiocout |=(1<<12);while(1){*gpiocout |=(1<<12);sleep(5);*gpiocout &=~(1<<12);sleep(5);}
}

注意，如果出现了操作了寄存器，但是硬件不同步的现象，需要手动关闭cache功能

static int btn_mmap(struct file *file,struct vm_area_struct *vma){// 关闭cache功能vma->vm_page_prot = pgprot_noncached(vma->vm_page_prot);remap_pfn_range(vma,// 指向用户虚拟内存属性vma->vm_start,// 起始用户虚拟地址0xC001C000 >> 12,// 起始物理地址 (4KB为单位)vma->vm_end - vma->vm_start,// 大小vma->vm_page_prot // 读写访问权限);return 0;
}

3、总结

read,write,ioctl和mmap对比
什么时候用：read,write,ioctl，什么时候用: mmap

• read,write,ioctl数据操作流程
  对设备读操作：read,ioctl
  数据流：硬件寄存器----->内核缓冲区------->用户缓冲区
  gpio_get_value copy_to_user
  对设备写操作：write,ioctl
  数据流：用户缓冲区----->内核缓冲区------->硬件寄存器
  copy_from_user gpio_set_value
  结论：read,write,ioctl数据操作势必要经过两次数据拷贝：
  用户-内核->硬件
  硬件->内核->用户

• mmap数据操作流程：
  对设备读操作： 应用程序直接以指针形式读取寄存器
  data = *gpiocout;
  对设备写操作： 应用程序直接以指针的形式写入寄存器
  *gpiocout &= ~(1 << 12);
  结论：mmap数据操作只需一个数据拷贝：
  用户->硬件
  硬件->用户

• 所以：

  1. 如果用户对硬件操作访问的数据量比较小,read,write,ioctl的两次数据拷贝对系统性能肯定有影响,但是这种影响几乎可以忽略不计,如果操作的数据量比较大,两次数据拷贝性能的影响是致命的,例如：摄像头,LCD显示屏,声卡等
  2. 如果访问操作的数据量比较大,用read,write,ioctl势必影响系统的性能,务必采用mmap,将两次数据拷贝变成一次提供系统的性能效率
  3. 由于mmap在使用的时候,分配的用户虚拟内存必须是4KB的整数倍,如果操作的数据量比较小,此时还用mmap即使提高了系统的性能(几乎体会不到),反而是浪费了宝贵的内存资源