Linux设备驱动之mmap设备操作

在Linux设备驱动中，mmap操作允许用户空间程序直接将设备内存映射到其地址空间，从而绕过内核缓冲区的复制，提升I/O效率。以下是实现mmap设备操作的详细步骤和代码示例：

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​1. 驱动中实现mmap的核心步骤

​(1) 分配设备内存

为设备分配物理连续的内存（如使用dma_alloc_coherent或kmalloc）：

static char *kernel_buffer;
static dma_addr_t phys_addr;

// 模块初始化时分配内存
static int __init mydev_init(void) {
    kernel_buffer = dma_alloc_coherent(NULL, BUFFER_SIZE, &phys_addr, GFP_KERNEL);
    if (!kernel_buffer)
        return -ENOMEM;
    return 0;
}

// 模块退出时释放内存
static void __exit mydev_exit(void) {
    dma_free_coherent(NULL, BUFFER_SIZE, kernel_buffer, phys_addr);
}

​(2) 实现mmap方法

在file_operations中定义mmap函数指针：

static int mydev_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma) {
    unsigned long offset = vma->vm_pgoff << PAGE_SHIFT;  // 计算字节偏移
    unsigned long pfn = phys_to_pfn(phys_addr + offset);  // 物理地址转PFN
    unsigned long size = vma->vm_end - vma->vm_start;

    // 检查映射范围是否合法
    if (offset + size > BUFFER_SIZE)
        return -EINVAL;

    // 设置非缓存属性
    vma->vm_page_prot = pgprot_writecombine(vma->vm_page_prot);

    // 映射物理内存到用户空间
    if (remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, pfn, size, vma->vm_page_prot))
        return -EAGAIN;

    return 0;
}

static struct file_operations mydev_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .mmap = mydev_mmap,
    // 其他操作（open/release等）...
};

​(3) 处理用户空间偏移和权限

• ​偏移量处理：用户空间的mmap调用通过offset参数选择不同内存区域。
• ​权限设置：禁用缓存以确保实时访问：

  vma->vm_page_prot = pgprot_noncached(vma->vm_page_prot);  // 完全非缓存
  // 或
  vma->vm_page_prot = pgprot_writecombine(vma->vm_page_prot);  // 写合并（适用于帧缓冲区）

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​2. 用户空间测试程序

用户程序通过mmap访问设备内存：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>

#define BUFFER_SIZE 4096

int main() {
    int fd = open("/dev/mydevice", O_RDWR);
    if (fd < 0) {
        perror("open failed");
        return -1;
    }

    // 映射设备内存
    char *user_buffer = mmap(NULL, BUFFER_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (user_buffer == MAP_FAILED) {
        perror("mmap failed");
        close(fd);
        return -1;
    }

    // 读写操作
    sprintf(user_buffer, "Hello from userspace!");
    printf("Read from device: %s\n", user_buffer);

    // 解除映射
    munmap(user_buffer, BUFFER_SIZE);
    close(fd);
    return 0;
}

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​3. 关键注意事项

​(1) 内存类型选择

• ​DMA内存：使用dma_alloc_coherent分配，适用于需要与设备DMA操作共享的内存。
• ​内核常规内存：使用kmalloc分配（物理连续），但需确保GFP_DMA标志以兼容DMA。

​(2) 物理地址转换

• ​PFN计算：通过phys_to_pfn将物理地址转换为页帧号。
• ​High Memory处理：若设备内存位于高端内存（HIGHMEM），需使用kmap临时映射，但remap_pfn_range已自动处理。

​(3) 安全性检查

• ​偏移和长度校验：防止用户空间映射超出设备内存范围。
• ​并发访问控制：使用互斥锁保护共享资源：

  static DEFINE_MUTEX(mmap_mutex);
  
  static int mydev_mmap(...) {
      mutex_lock(&mmap_mutex);
      // 临界区操作...
      mutex_unlock(&mmap_mutex);
  }

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​4. 高级场景：非连续内存映射

若设备内存非连续（如通过vmalloc分配），需逐页映射：

static int mydev_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma) {
    unsigned long offset = vma->vm_pgoff << PAGE_SHIFT;
    unsigned long size = vma->vm_end - vma->vm_start;
    int i;

    for (i = 0; i < (size >> PAGE_SHIFT); i++) {
        unsigned long pfn = vmalloc_to_pfn(kernel_buffer + offset + i*PAGE_SIZE);
        if (vm_insert_page(vma, vma->vm_start + i*PAGE_SIZE, pfn_to_page(pfn)))
            return -EAGAIN;
    }
    return 0;
}

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​5. 调试技巧

• ​查看映射状态：

  cat /proc/<pid>/maps   # 查看进程的内存映射

• ​内核日志调试：

  printk(KERN_DEBUG "mmap: offset=0x%lx, size=%lu\n", offset, size);

• ​硬件断点：使用JTAG调试器或QEMU监视设备内存访问。

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​总结

通过实现mmap方法，设备驱动能够：

1. ​提升性能：避免用户空间与内核间的数据拷贝。
2. ​灵活管理内存：支持直接访问DMA缓冲区、硬件寄存器等。
3. ​简化用户程序：用户空间可直接操作设备内存。

关键点包括正确分配内存、处理物理地址转换、设置页面属性及严格的边界检查。通过合理设计，mmap成为高效设备驱动开发的核心技术之一。

参考：

1. mmap(三) mmap测试程序，user和设备驱动传递大量数据_驱动 mmap-优快云博客