例说linux内核与应用数据通信（四）：映射设备内核空间到用户态

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        一个进程的内存映象由以下几部分组成：代码段、数据段、BSS段和堆栈段。以及内存映射的区域等部分，内存映射函数mmap(), 负责把文件内容映射到进程的虚拟内存空间, 通过对这段内存的读取和改动。来实现对文件的读取和改动，而文件能够是设备驱动文件节点。

通过把内核驱动的内存空间映射到应用层。能够实现应用和内核空间的数据交换。         linux设备分三种，字符设备、块设备、网络接口设备。每个字符设备或块设备都在/dev文件夹下相应一个设备文件。

linux用户态程序通过设备文件（或称设备节点）来使用驱动程序操作字符设备和块设备。
        本节使用字符设备驱动为例来实现映射。有关字符设备驱动相关内容可參考作者这篇文章：
http://blog.csdn.net/shallnet/article/details/17734309
实现内存映射的关键在于实现字符设备驱动的mmap()函数，mmap()函数原型为:

#include <sys/mman.h>
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,  int fd, off_t offset);

该函数负责把文件内容映射到进程的虚拟地址空间，通过对这段内存的读取和改动来实现对文件的读取和改动，而不须要再调用read和write；
mmap方法是file_operations结构的成员，在mmap系统调用的发出时被调用。mmap设备方法所须要做的就是建立虚拟地址到物理地址的页表。

事实上在在我们调用系统调用mmap时，内核中的sys_mmap函数首先依据用户提供给mmap的參数（如起始地址、空间大小、行为修饰符等）创建新的vma。然后再调用对应文件的file_operations中的mmap函数。

进程虚拟地址空间相关内容可參考作者这篇文章：
http://blog.csdn.net/shallnet/article/details/47701225
      使用remap_pfn_range()函数将设备内存线性地映射到用户地址空间中。该函数原型为：

/**
* remap_pfn_range - remap kernel memory to userspace
* @vma: user vma to map to
* @addr: target user address to start at
* @pfn: physical address of kernel memory
* @size: size of map area
* @prot: page protection flags for this mapping
*
*  Note: this is only safe if the mm semaphore is held when called.
*/
int remap_pfn_range(struct vm_area_struct *vma, unsigned long addr,
unsigned long pfn, unsigned long size, pgprot_t prot)

当中vma为虚拟内存区域。在一定范围内的页将被映射到该区域内。
addr为又一次映射时的起始地址。该函数为处于addr和addr+size之间的虚拟地址建立页表。

pfn为与物理内存对于的页帧号，页帧号仅仅是将物理地址右移PAGE_SHIFT位。
size为以字节为单位，被又一次映射的大小。

prot为新VMA要求的“保护”属性。
以下看一看file_operations中的mmap成员的实现：

static struct vm_operations_struct sln_remap_vm_ops = {
.open   = sln_vma_open,
.close  = sln_vma_close
};

static int chrmem_dev_mmap(struct file*filp, struct vm_area_struct *vma)
{
struct mem_dev *dev = filp->private_data;

if (remap_pfn_range(vma,vma->vm_start,virt_to_phys(dev->data)>>PAGE_SHIFT, vma->vm_end - vma->vm_start, vma->vm_page_prot))
return  -EAGAIN;

vma->vm_ops = &sln_remap_vm_ops;

sln_vma_open(vma);
return 0;
}

该函数中函数page_to_pfn(shm_page)将表示物理页面的page结构转换为其相应的页帧号。该字符设备驱动的主要思想是建立一个字符设备，在它的驱动程序中申请一块物理内存区域，并利用mmap将这段物理内存区域映射到进程的地址空间中。该驱动源代码例如以下：

#include <linux/module.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <asm/io.h>
#include <asm/system.h>
#include <asm/uaccess.h>

#include <linux/kernel.h>
#include "chr_memdev.h"

int                 chrmem_major;
struct chrmem_dev   *chrmem_devp;

int chrmem_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
filp->private_data = chrmem_devp;

return 0;
}

......

void sln_vma_open(struct vm_area_struct *vma)
{
printk("===vma_open: %s===\n", chrmem_devp->data);
}

void sln_vma_close(struct vm_area_struct *vma)
{
printk("===vma_close: %s===\n", chrmem_devp->data);
}

static struct vm_operations_struct sln_remap_vm_ops = {
.open   = sln_vma_open,
.close  = sln_vma_close
};

int chrmem_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return 0;
}

static int chrmem_dev_mmap(struct file*filp, struct vm_area_struct *vma)
{
struct chrmem_dev *dev = filp->private_data;

if (remap_pfn_range(vma,vma->vm_start,virt_to_phys(dev->data)>>PAGE_SHIFT, vma->vm_end - vma->vm_start, vma->vm_page_prot))
return  -EAGAIN;

vma->vm_ops = &sln_remap_vm_ops;

sln_vma_open(vma);
return 0;
}

static const struct file_operations chrmem_fops =
{
.owner    = THIS_MODULE,
.open     = chrmem_open,
.release  = chrmem_release,
.read     = chrmem_read,
.write    = chrmem_write,
.llseek   = chrmem_llseek,
.ioctl    = chrmem_ioctl,
.mmap     = chrmem_dev_mmap

};

static int chrmem_dev_init(void)
{
int result;
dev_t devno;

/* 分配设备号 */
result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 1, "chrmem_dev");
if (result < 0) {
return result;
}

// 为自己定义设备结构体分配内存空间
mem_devp = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL);
if (!mem_devp) {
result =  - ENOMEM;
goto err;
}
memset(mem_devp, 0, sizeof(struct mem_dev));

/*初始化字符设备*/
cdev_init(&mem_devp->cdev, &mem_fops);
mem_devp->cdev.owner = THIS_MODULE;

/*加入注冊字符设备 */
mem_major = MAJOR(devno);
cdev_add(&mem_devp->cdev, MKDEV(mem_major, 0), MEMDEV_NR_DEVS);

/*初始化自己定义设备数据内容*/
mem_devp->data = kmalloc(MEMDEV_SIZE, GFP_KERNEL);
memset(mem_devp->data, '*', MEMDEV_SIZE / 100 );

return 0;

err:
unregister_chrdev_region(devno, 1);

return result;
}

static int chrmem_dev_init(void)
{
int result;
dev_t devno;

/* 分配设备号 */
result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 1, "chrmem_dev");
if (result < 0) {
return result;
}

// 为自己定义设备结构体分配内存空
chrmem_devp = kmalloc(CHR_MEMDEV_NUM * sizeof(struct chrmem_dev), GFP_KERNEL);
if (!chrmem_devp) {
result =  - ENOMEM;
goto err;
}
memset(chrmem_devp, 0, sizeof(struct chrmem_dev));

/*初始化字符设备*/
cdev_init(&chrmem_devp->cdev, &chrmem_fops);
chrmem_devp->cdev.owner = THIS_MODULE;

/*加入注冊字符设备 */
chrmem_major = MAJOR(devno);
cdev_add(&chrmem_devp->cdev, MKDEV(chrmem_major, 0), CHR_MEMDEV_NUM);

/*初始化自己定义设备数据内容*/
chrmem_devp->data = kmalloc(CHR_MEMDEV_DATA_SIZE, GFP_KERNEL);
memset(chrmem_devp->data, '*', CHR_MEMDEV_DATA_SIZE / 100 );

return 0;

err:
unregister_chrdev_region(devno, 1);

return result;
}

static void chrmem_dev_exit(void)
{
cdev_del(&chrmem_devp->cdev); //delete device
kfree(chrmem_devp); // release device memory
unregister_chrdev_region(MKDEV(chrmem_major, 0), 1); // unregister char device No.
}

module_init(chrmem_dev_init);
module_exit(chrmem_dev_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("shallnet");
MODULE_DESCRIPTION("blog.csdn.net/shallnet");

在应用程序中调用mmap来实现内存映射，应用程序代码例如以下：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>

#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <sys/ioctl.h>

#define SHR_MEMSIZE             4096
#define MEM_CLEAR               0x0
#define MEM_RESET               0x1
#define MEM_DEV_FILENAME       "/dev/sln_memdev"

int main()
{
int         fd;
char        *shm = NULL;

fd = open(MEM_DEV_FILENAME, O_RDWR);
if (fd < 0) {
printf("open(): %s\n", strerror(errno));
return -1;
}

shm = mmap(NULL, SHR_MEMSIZE, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
if (MAP_FAILED == shm) {
printf("mmap: %s\n", strerror(errno));
}

printf("Before Write, shm = %s\n", shm);

strcpy(shm,"User write to share memory!");

printf("After write, shm = %s\n", shm);

if (0 > ioctl(fd, MEM_CLEAR, NULL)) {
printf("ioctl: %s\n", strerror(errno));
return -1;
}

printf("After clear, shm = %s\n", shm);

if (0 > ioctl(fd, MEM_RESET, NULL)) {
printf("ioctl: %s\n", strerror(errno));
return -1;
}
printf("After reset, shm = %s\n", shm);

munmap(shm, SHR_MEMSIZE);
close(fd);
return 0;
}

应用程序在实现映射之后，首先读取输出共享内存内容，然后写入。然后清空该共享内存内容以及重设共享内存。

在编译驱动和应用程序之后首先插入驱动。在创建设备节点，最后执行应用程序看是否成功。例如以下:

# insmod memdev.ko
# cat /proc/devices | grep chrmem_dev
248 chrmem_dev
# mknod  /dev/sln_memdev c 248 0
# ls
app  app_read  drv  Makefile  mem_app  memdev.ko  read_app
# ./mem_app
Before Write, shm = ****************************************
After write, shm = User write to share memory!
After clear, shm =
After reset, shm = hello, user!
#

能够看到字符设备驱动的内核空间被成功映射到用户态，如今用户空间的一段内存关联到设备内存上。对用户空间的读写就相当于对字符设备的读写。

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