驱动学习笔记9用户空间地址映射mmap，应用程序直接用指针操作寄存器-创新互联

3.3.mmap地址映射方法 

  明确：mmap就是完成物理地址映射到用户虚拟地址用的
 明确：用户3G虚拟地址空间划分：
       0x00000000-------------------------------------------------------0xBFFFFFFF
                 代码段  数据段  BSS段  堆区   MMAP虚拟内存区      栈区
                                        ----><------            <----

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1.回顾mmap系统调用函数

函数原型： 
 void *mmap(void *addr, size_t length, 
          int prot, int flags,
int fd, off_t offset);
 函数功能：将物理地址空间映射到用户虚拟内存空间上
           将物理地址映射到用户虚拟地址
           老王课程这么讲：将文件映射到用户虚拟地址空间上
           文件对应硬件外设,外设通过物理地址访问
           linux系统不允许访问物理地址,利用mmap映射不得了
 参数：
  addr:给NULL,让linux内核帮你在用户虚拟内存区域找一块
      空间内存用来映射物理地址
 length：让linux内核帮你找的空闲用户虚拟内存的大小
         切记：大小必须是页面大小(4KB)的整数倍
 prot:描述内核帮你找的空闲用户虚拟内存的访问权限
      一般指定为：PROT_READ|PROT_WRITE
  flags：其余属性,一般指定为：MAP_SHARED
  fd:硬件外设
 offset:偏移量,一般给0
 返回值：linux内核将空闲的用户虚拟内存的首地址进行返回
         这个起始用户虚拟地址同样也是4KB整数倍
 
 参考代码：
 void *addr;
 int fd = open("a.txt", O_RDWR);
 addr = mmap(NULL, 0x1000, PROT_READ|PROT_WRITE, 
             MAP_SHARED, fd, 0);
 说明：将文件a.txt映射到以addr起始的用户虚拟内存上
       将来访问映射的用户虚拟内存就是访问文件
 
 //向映射的用户虚拟内存拷贝字符串数据
本质是向文件a.txt写入数据
 memcpy(addr, "hello,world", 12);

2.了解mmap系统调用函数所做的工作：

2.1.应用程序调用mmap,首先跑到C库的mmap函数定义
2.2.C库的mmap函数作两件事：
1.保存mmap系统调用号到r7寄存器
2.调用swi/svc指令触发软中断异常
2.3.一旦触发软中断异常,CPU核立马处理软中断异常
2.4.最后进程跑到内核空间继续运行,跑到软中断异常的入口地址
运行,做如下事情：
1.调用软中断异常处理函数,而此函数做两件事：
 1.从r7寄存器中取出mmap系统调用号
     2.以mmap系统调用号为下标在内核的系统调用表中
       找到mmap对应的内核函数sys_mmap,而内核的
       sys_mmap做三件事：
       1.内核的sys_mmap首先在当前进程的3G虚拟地址空间中
         找一块空闲的用户虚拟内存,将来用于和物理地址
         做映射
       2.一旦找到空闲的用户虚拟内存,并且用户mmap本身
         也给用户虚拟内存指定了一堆的属性(大小,权限等)
         所以内核用struct vm_area_struct数据结构定义
         初始化一个对象来描述空闲的用户虚拟内存的属性
         struct vm_area_struct {
             unsigned long vm_start; //空间用户虚拟内存的起始地址
                                     //等于mmap的返回值addr
             unsigned long vm_end; //结束地址=vm_start+大小 
             pgprot_t vm_page_prot; //等于mmap传递的PROT_READ|PROT_READ|PROT_WRITE
             unsigned long vm_flags;    //等于mmap传递的MAP_SHARED
             unsigned long vm_pgoff;     //等于mmap传递的0
             ...
         };
       3.最后内核的sys_mmap调用底层驱动的mmap接口
  并且内核sys_mmap将第2步创建的对象的地址
  也传递给底层驱动的mmap接口
         
3.底层驱动mmap执行完毕,进程返回,至此mmap调用结束   

  
3.对应的底层驱动的mmap接口 

struct file_operations {
     int (*mmap) (struct file *file, 
                 struct vm_area_struct *vma);
};
接口功能：永远只能唯一做一件事：将已知的物理地址和已知的
         用户虚拟地址做映射,类似：媒婆
         由于用户虚拟地址在用户空间,所以将来访问操作
         都是在应用程序完成,而不是在内核驱动完成
         访问映射的用户虚拟地址就是在访问物理地址
file：跟fd亲戚关系
vma:指向内核sys_mmap创建的一个对象,此对象来描述空闲的
用户虚拟内存的各种属性,将来底层驱动mmap接口利用
此指针可以获取到用户虚拟内存的属性：
vma->vm_start //获取起始用户虚拟地址
vma->vm_end 
vma->vm_flags
vma->vm_page_prot
...
问：底层驱动的mmap接口到底如何最终完成映射呢？
因为已知物理地址可以看手册获取到
已知的用户虚拟地址通过vma指针能够获取到
如何将两者关联在一起呢？
万事俱备只欠东风
答：只需调用以下函数完成关联映射：
int remap_pfn_range(struct vm_area_struct *vma, 
                     unsigned long addr,
                     unsigned long pfn, 
                     unsigned long size, 
                     pgprot_t prot);
函数功能：完成最终的地址映射
vma:传递内核sys_mmap创建的对象地址
       也就是传递驱动mmap接口的第二个参数
addr:传递空闲的用户虚拟内存的首地址
也就是传递vma->vm_start
pfn：传递起始的物理地址>>12
        切记：此物理地址大小必须是4KB(0x1000)整数倍
        例如：
             0xC001C000>>12:合法
             0xC001C004>>12:不合法
size：传递映射的用户虚拟内存的大小
  也就是传递：vma->vm_end - vma->vm_start 
prot:传递用户虚拟内存的访问权限
         也就是传递:vma->vm_page_prot

案例：利用mmap实现开关灯操作
参考代码：day09/1.0

4.世纪大PK:read,write,ioctl和mmap对比 

什么时候用：read,write,ioctl
什么时候用: mmap
4.1.read,write,ioctl数据操作流程
  对设备读操作：read,ioctl
     数据流：硬件寄存器----->内核缓冲区------->用户缓冲区
                   gpio_get_value     copy_to_user
 对设备写操作：write,ioctl
     数据流：用户缓冲区----->内核缓冲区------->硬件寄存器 
                     copy_from_user    gpio_set_value
                     
 结论：read,write,ioctl数据操作势必要经过两次数据拷贝：
用户-内核->硬件
硬件->内核->用户 

4.2.mmap数据操作流程：
  对设备读操作： 应用程序直接以指针形式读取寄存器
                data = *gpiocout;
  对设备写操作： 应用程序直接以指针的形式写入寄存器    
                *gpiocout &= ~(1<< 12);
 结论：mmap数据操作只需一个数据拷贝：
       用户->硬件
       硬件->用户
       
4.3.终极结论：
  1.如果用户对硬件操作访问的数据量比较小,read,write,ioctl
的两次数据拷贝对系统性能肯定有影响,但是这种影响几乎
可以忽略不计,如果操作的数据量比较大,两次数据拷贝
性能的影响是致命的,例如：摄像头,LCD显示屏,声卡等
 2.如果访问操作的数据量比较大,用read,write,ioctl势必
影响系统的性能,务必采用mmap,将两次数据拷贝变成一次
提供系统的性能效率
 3.由于mmap在使用的时候,分配的用户虚拟内存必须是4KB的
整数倍,如果操作的数据量比较小,此时还用mmap
即使提高了系统的性能(几乎体会不到),反而是浪费了
宝贵的内存资源

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网页题目：驱动学习笔记9用户空间地址映射mmap，应用程序直接用指针操作寄存器-创新互联
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