对mmap的理解

在做有关9200嵌入linux系统的一个项目时，由于需要对底层的操作，所以遇到了mmap这个系统调用。对于底层的开发，正常思维是linux的驱动开发。不过由于对linux的接触时间短，知识有限，所以找到了mmap，绕过了驱动开发的阶段。不过，一直困惑于mmap的实现方式，它是怎么实现对底层的操作？更困惑于为什么用户空间就可以实现对底层的操作大家却要在内核空间开发驱动呢？对这些种种疑问，我在网上收集了些资料，发表一下自己的见解，不过感觉还是很不深刻。

 

首先让大家看一个程序，程序很简单，对IO口的操作

 

#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <memory.h>
#define DEVICE_FILE_NAME "at91_gpio"

#define    AT91_SYS          0xfffff000
#define    AT91_SYS_2        0xfffc0000
#define    AT91C_PIOB_PER    0x600
#define    AT91C_PIOB_OER    0x610
#define    AT91C_PIOC_CODR   0x634
#define    AT91C_PIOC_SODR   0x630
#define    AT91C_PIOA_ASR    0x470
#define    AT91C_PIOA_PDR    0x404
#define    AT91C_PIOA_PSR    0x408
#define    AT91C_PIOA_ODR    0x414
#define    AT91C_PIOA_IFDR   0x424
#define    AT91C_PIOA_CODR   0x434
#define    AT91C_PIOA_IDR    0x444
#define    AT91C_PIOA_MDDR   0x454
#define    AT91C_PIOA_PUER   0x464
#define    AT91C_PIOA_OWDR   0x4A4
#define    AT91C_PIOA_ABSR   0x478

#define INT *(volatile unsigned int*)

void * map_base;
FILE *f;
int n,fd;

int main(int argc,char *argv[])
{
    if((fd=open("/dev/mem",O_RDWR|O_SYNC))==-1){
    return(-1);
    }

    map_base=mmap(0,0xff,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,\

                   fd,AT91_SYS);

    INT (map_base+AT91C_PIOB_PER)=(1<<27);//使能寄存器
    INT (map_base+AT91C_PIOB_OER)=(1<<27);//输出使能寄存器

    while(1){
        INT (map_base+AT91C_PIOB_CODR)=(1<<27);//IO口置高
        sleep(1);
        INT (map_base+AT91C_PIOB_SODR)=(1<<27);//IO口置低
        sleep(1);
    }

    close(fd);

   

    munmap(map_base,0xff);//解除映射关系
}


在这个程序中，首先打开了/dev/mem,然后进行了mmap，也就是对整个物理内存的映射。接下来的操作就根据芯片手册，找到相应的物理地址，对物理地址直接操作。

其中有几个参数需要说明:
PROT_READ:区域可读；
PROT_WRITE：区域可写；
MAP_SHARED:对映射区域的写入数据会复制回文件内, 而且允许其他映射该文件的进程共享。

书中对此图有些说明：在此图中，“起始地址”是mmap的返回值。在图中，映射存储区位于堆和栈之间：这属于实现细节，各种实现之间可能不同。

 

看了此图以后，大家对mmap的实现方式可能就清楚多了，应该对上面那个程序有更多的理解了吧。我们把物理地址都映射到内存中，然后对内存中的地址进行操作，通过MAP_SHARED参数，对映射区域的写入数据复制回文件内，从而达到了对IO口的操作。对于MAP_SHARED区磁盘文件的更新，在写到存储映射区时按内核虚存算法自动进行。

还有一点需要说明，因为映射文件的起动位移量受系统虚存页长度的限制，那么如果映射区的长度不是页长度的整数倍时，将如何呢？假定文件长12字节，系统页长为512字节，则系统通常提供512字节的映射区，其中后500字节被设为0。可以修改这500字节，但任何变动都不会在文件中反映出来。

到此，就是我对第一问题的解释，即mmap实现方式的理解。

 

而对于第二个问题，更困惑于为什么用户空间就可以实现对底层的操作大家却要在内核空间开发驱动呢？答案我在《Linux设备驱动第三版》中找到了答案，上面是这样描述的：

 

有几个论据倾向于用户空间编程, 有时编写一个所谓的用户空间设备驱动对比钻研内核是一个明智的选择. 在本节, 我们讨论几个理由, 为什么你可能在用户空间编写驱动。

用户空间驱动的好处在于:

• 完整的 C 库可以连接. 驱动可以进行许多奇怪的任务, 不用依靠外面的程序(实现使用策略的工具程序, 常常随着驱动自身发布).

• 程序员可以在驱动代码上运行常用的调试器, 而不必走调试一个运行中的内核的弯路.

• 如果一个用户空间驱动挂起了, 你可简单地杀掉它. 驱动的问题不可能挂起整个系统, 除非被控制的硬件真的疯掉了.

• 用户内存是可交换的, 不象内核内存. 一个不常使用的却有很大一个驱动的设备不会占据别的程序可以用到的 RAM, 除了在它实际在用时.

• 一个精心设计的驱动程序仍然可以, 如同内核空间驱动, 允许对设备的并行存取.

• 如果你必须编写一个封闭源码的驱动, 用户空间的选项使你容易避免不明朗的许可的情况和改变的内核接口带来的问题.

但是用户空间的设备驱动的方法有几个缺点. 最重要的是:

• 中断在用户空间无法用. 在某些平台上有对这个限制的解决方法, 例如在 IA32 体系上的 vm86 系统调用.

• 只可能通过内存映射 /dev/mem 来使用 DMA, 而且只有特权用户可以这样做.

• 存取 I/O 端口只能在调用 ioperm 或者 iopl 之后. 此外, 不是所有的平台支持这些系统调用, 而存取/dev/port可能太慢而无效率. 这些系统调用和设备文件都要求特权用户.

• 响应时间慢, 因为需要上下文切换在客户和硬件之间传递信息或动作.

• 更不好的是, 如果驱动已被交换到硬盘, 响应时间会长到不可接受. 使用 mlock 系统调用可能会有帮助, 但是常常的你将需要锁住许多内存页, 因为一个用户空间程序依赖大量的库代码. mlock, 也, 限制在授权用户上.

• 最重要的设备不能在用户空间处理, 包括但不限于, 网络接口和块设备.

如你所见, 用户空间驱动不能做的事情毕竟太多. 感兴趣的应用程序还是存在: 例如, 对 SCSI 扫描器设备的支持( 由 SANE 包实现 )和 CD 刻录器 ( 由 cdrecord 和别的工具实现 ). 在两种情况下, 用户级别的设备情况依赖 "SCSI gneric" 内核驱动, 它输出了低层的 SCSI 功能给用户程序, 因此它们可以驱动它们自己的硬件.

一种在用户空间工作的情况可能是有意义的, 当你开始处理新的没有用过的硬件时. 这样你可以学习去管理你的硬件, 不必担心挂起整个系统. 一旦你完成了, 在一个内核模块中封装软件就会是一个简单操作了.

通过上面的描述，我的第二个困惑也得到了解决。由于用户空间的诸多限制，迫使我们不得不进行内核空间的设备驱动开发。不过在我的项目中，用mmap就可以解决所有问题了。呵呵，不知道我的解释是否能让大家明白，如果其他新的见解，请留言，谢谢！