搞清楚linux系统中MMU和mmap区别

原创于 2025-06-27 10:24:36 发布 · 587 阅读

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#linux #mmap #MMU #内存映射

首先MMU（Memory Management Unit）它是一块硬件单元，通常集成在CPU 或 SoC 中。主要功能是把“虚拟地址”转换为“物理地址”

mmap（memory map）它是操作系统内核提供的一个系统调用／软件机制。用于将一个文件或设备缓冲区映射到进程的虚拟地址空间里

可以直观的看出来前者是硬件后者是软件上的机制，更关键的是MMU是介于硬件层与内核层之间的，而mmap是介于应用层与内核层之间的。它们所负责的位置不同。

MMU

MMU通常并不是你在板子上能找到的独立芯片，而是作为处理器（CPU/SoC）内核里集成的一块电路逻辑单元：集成在 CPU/SoC 内。在现代 x86、ARM、RISC‑V 等架构里，MMU 是 CPU 核心的一部分。它和算术逻辑单元、缓存（L1/L2/L3）一起，都是硅片（Silicon）上同一颗芯片（SoC）内部电路

操作系统在内存中构建并维护好“虚拟页 → 物理页框”映射的多级页表MMU 硬件 从一个特殊寄存器（TTBR/CR3）拿到页表根地址，再按虚拟地址的各段位做多级索引，最终得到对应的物理页框号，中途结果缓存在 TLB 中，从而实现地址转换。

mmap

mmap 是用户态与文件／设备打交道的映射接口，借助 MMU 做页表映射。

讲到mmap，最重要是的知道它干了什么，它最大的作用是让我们的线程、进程运行时，大大减少了我们数据拷贝的次数，提高了系统的实时性和效率。

对于文件，内核会将文件内容按页（4 KiB 一页）加载到页缓存，执行 mmap(fd, length, prot, flags, fd, 0) 时，内核不会马上做任何数据拷贝，而是记录一个映射关系：把进程的虚拟地址区间 [addr, addr+length) 映射到文件页缓存对应的物理页上。进程首次访问映射区时（读或写），会触发一次缺页中断

内核在缺页处理函数里：如果对应页已在页缓存，就直接把该物理页的页框（frame）分配给进程的页表；如果不在页缓存，就先从磁盘/外设载入到页缓存，再建立映射。

从此以后，用户空间对映射区域的内存读写，就直接走 CPU 的常规读写路径，经由 MMU → TLB，访问那块已经映射的物理页，不会再经过 read()/write() 系统调用路径，也就省去了两次拷贝。

下面是mmap部分代码示例，分别是应用层与内核层的关键函数

//应用层中mmap映射函数


fd = open("/dev/led", 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 error,fd = %d\n",fd);
		return -1;
	}
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
	strcpy(mapBuf, "test data for mmap");//向映射段写数据
	memset(buffer, 0, 1024);   //清空,避免误判
	strcpy(buffer, mapBuf);    //从映射段读取数据
	printf("read data is %s\n", buffer);//如果读与写一致，说明映射成功
	munmap(mapBuf, 1024);//解除映射
	free(buffer);

//内核层中mmap映射函数

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_DONTEXPAND | VM_DONTDUMP);//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;

注意这个过程没有“新开辟一块内存”

驱动里通常已经通过 kmalloc/dma_alloc_coherent、或者是 MMIO 的物理基址（BAR）准备好了一段物理内存。mmap 并不额外分配新的页；它只是把这些已有的物理页，映射（map）到用户进程的页表中。