Linux设备驱动工程师之路——Linux内存管理机制及mmap方法

一、重点知识 

    1. Linux内存管理机制

    Linux 2.6.29内核为每种CPU提供统一的界面，采用四级页面管理构架。来兼容二级、三级、四级管理架构的CPU。通过页式管理机制完成虚拟地址（线性地址）到物理地址的映射。一般每个页大小为4K。cr3寄存器中保存了创建进程时分配的值。

    Linux操作系统采用虚拟内存管理技术，使得每个进程都有独立的进程地址空间，该空间大小是3G，用户看到和接触的都是虚拟地址，无法看到实际的物理地址。利用这种虚拟地址不但能起到保护操作系统的作用，而且更重要的是用户程序可使用比实际物理内存更大的地址空间。

    Linux将4G的虚拟地址空间划分为两个部分——用户空间与内核空间。用户空间从0到0xbfffffff,内核空间从3G到4G。用户进程通常情况下只能访问用户空间的虚拟地址，不能访问内核空间，例外是用户进程通过系统调用访问内核空间。

    每个用户空间是完全独立的，互不想干的。用户空间对应进程，所有每当进程切换，用户空间就会跟着变化。

    实际的物理内存只有当进程真的去访问新获取的虚拟地址时，才会由“请页机制”产生“缺页异常”，从而进入分配实际页框程序。

    内核空间是由内核负责映射，它并不会跟着进程改变，是固定的。

物理内存896MB以上的部分称之为高端内存。

2. mmap方法

    实现mmap方法，驱动程序只需要为该地址范围建立合适的页表，并将vma->ops替换成一系列的新操作就可以了。

void *mmap(void *addr, size_t len, intprot, int flags, int fd, off_t offset)

       内存映射函数，负责把文件内存映射到虚拟内存空间,返回映射地址空间地址。

       参数说明：

       addr:指定映射的起始地址，通常设为NULL，由系统指定。

       length:映射到内存的文件长度

       prot:映射区的保护模式，可以是PROT_EXEC(可执行)、PROT_READ（可读）、PROT_WRITE（可写）。

       flag:映射区的特性，可以是

       MAP_SHARED:写入映射区的数据会复制回文件，且允许其他映射该文件的进程共享。

       MAP_PRIVATE：对映射区的写入操作会产生一个映射区的复制，对此区域的修改不会写回原文件。

       fd:要映射的文件描述符

       offet:以文件开始出的偏移量，通常为0，从文件头开始映射。

int munmap(void *start, size_t length)

       解除映射。

struct vm_area_struct

       内核用来描述虚拟内存区域的结构。

int remap_pfn_range(structvm_area_struct *vma, unsigned long virt_add, unsigned long pfn, unsigned longpfn, unsigned long size, pgprot_t prot)

int io_remap_page_range(structvm_area_struct *vma, unsignde long virt_add, unsigned long phys_add, unsignedlong size, pgprot_t prot)

       mmap的核心函数。他们映射了物理地址中从pfn表示的页号开始的size个字节到虚拟地址virt_add上。相关虚拟地址的保护位在port中指定。如果目标地址在I/O地址空间的话，使用io_remap_page_range函数。 

二、驱动代码