学习笔记：Linux 驱动开发之mmap与内存映射

1. 核心概念：什么是mmap？

mmap(Memory Map) 是一种内存映射文件的方法。在嵌入式 Linux 驱动开发中，它主要用于将外设的物理地址（如 GPIO 寄存器）映射到用户进程的虚拟地址空间。

• 传统方式：用户态read/write<–> 内核态拷贝数据 <–> 驱动操作寄存器。
• mmap 方式：用户态指针 <–> MMU 直接转换 <–> 硬件寄存器。（零拷贝，速度极快）

2. 核心难点：用户虚拟地址 vs 内核虚拟地址

这是理解 Linux 内存管理的关键分水岭。

2.1 对比图表

2.2 它们与物理地址的关系

假设 i.MX6ULL 的一个 LED 寄存器物理地址是0x0209C000：

1. CPU/MMU：只认物理地址0x0209C000。
2. 驱动程序 (KVA)：通过ioremap拿到一个地址（如0xF0001000）。驱动写0xF0001000-> MMU 查表 -> 写入物理地址。
3. 应用程序 (UVA)：通过mmap拿到一个地址（如0xB7001000）。应用写0xB7001000-> MMU 查表 -> 写入物理地址。

结论：UVA 和 KVA 就像是通往同一个房间（物理地址）的两扇不同的门。一扇门开在“用户公寓”（0-3G），另一扇门开在“管理员办公室”（3-4G）。

3.mmap的实现流程（驱动与应用配合）

3.1 应用程序做了什么？

应用程序中的mmap最终会调用驱动中实现的.mmap接口（即下面的my_driver_mmap函数）

int fd = open("/dev/my_led", O_RDWR); // 申请映射：从 offset 0 开始，映射 4096 字节 unsigned char *addr = mmap(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); // 直接操作硬件！ *addr = 0x01; // 点灯

3.2 驱动程序做了什么？ (fops.mmap)

驱动的核心任务是构建页表。

1. 获取物理地址：知道你要操作哪个寄存器（例如0x0209C000）。
2. 计算页帧号 (PFN)：Linux 内存管理以“页”为单位（通常 4KB）。
   • PFN = 物理地址 >> PAGE_SHIFT(即除以 4096)。
3. 调用remap_pfn_range：这是核心函数。它负责修改当前进程的页表，建立 UVA 到 物理地址 的映射。

// 驱动代码示例 static int my_driver_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma) { unsigned long phy_addr = 0x0209C000; // 硬件物理地址 // 关键：设置为不使用缓存 (Nocache)！否则寄存器读写会出错 vma->vm_page_prot = pgprot_noncached(vma->vm_page_prot); // 建立映射：把 vma->vm_start (应用层的UVA) 映射到 phy_addr (物理地址) if (remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, // 用户虚拟地址起始 phy_addr >> PAGE_SHIFT, // 物理地址页帧号 vma->vm_end - vma->vm_start, // 映射大小 vma->vm_page_prot)) // 属性：无缓存 { return -EAGAIN; } return 0; }

4. 关键细节与注意事项

4.1 为什么要pgprot_noncached？

• 原因：对于硬件寄存器，必须禁止 CPU 缓存 (Cache)。
• 后果：如果不加这一行，应用程序写数据可能只写到了 Cache 里，LED 灯根本不会亮，或者读取的状态是旧的。

4.2 为什么映射大小通常是 4KB (4096)？

• MMU 管理内存的最小单位是一页 (Page)，ARM Linux 默认页大小是 4096 字节。
• 即使你只需要操作 4 个字节的寄存器，mmap也会映射整整一页（4096 字节）。因此，你在计算偏移量时要小心。

4.3ioremap和mmap的关系

• 驱动程序自己要访问寄存器 -> 用ioremap。
• 驱动程序想让应用程序直接访问寄存器 -> 实现.mmap接口（内部调用remap_pfn_range）。
• 通常一个驱动里这两个都会用到。

5. 总结

1. 物理地址是唯一的真理，但被 CPU 藏在了 MMU 后面。
2. KVA (内核虚拟地址)是驱动在内核态用的，通过ioremap映射。
3. UVA (用户虚拟地址)是应用在用户态用的，通过mmap系统调用请求，由驱动协助映射。
4. remap_pfn_range是连接 UVA 和 物理地址 的桥梁。

下一步实践建议：

在韦东山的开发板上，你可以写一个简单的程序，利用 /dev/mem 这个系统自带的驱动节点。它已经实现了 mmap 功能。你可以尝试用 mmap 映射 GPIO 的物理基地址，然后在应用层直接点亮 LED，这将是你理解这一概念最直观的实验。