Linux下内存空间分配物理地址与虚拟地址映射

Posted 2022-08-25 DS小龙哥

​

一、Linux内核动态内存分配与释放​

1.1 kmalloc函数​

Kmalloc分配的是连续的物理地址空间。如果需要连续的物理页，可以使用此函数，这是内核中内存分配的常用方式，也是大多数情况下应该使用的内存分配方式。​

传递给函数的最常用的标志是GTP_ATOMIC和GTP_KERNEL。前面的标志表示进行不睡眠的高优先级分配。在中断处理程序和其他不能睡眠的代码段中需要。后面的标志可以睡眠，在没有持自旋锁的进程上下文中使用。此函数返回内核逻辑地址。​

头文件：#include <linux/slab.h>​

1.1.1 申请空间​

static void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags)​

参数：​

size_t size ：申请的空间大小​

gfp_t flags：申请的标志(模式)​

返回值：申请的空间首地址。如果为NULL，表示分配失败！​

一般填写的模式：​

GFP_ATOMIC：用来从中断处理和进程上下文之外的其他代码中分配内存，分配内存优先级高，不会阻塞​ GFP_KERNEL：内核内存的正常分配方式，可能会阻塞。​

1.1.2释放内存空间​

void kfree(const void *block)​

参数：​

void *block：将要释放空间的首地址​

1.1.3示例​

#include <linux/init.h>​ #include <linux/module.h>​ #include <linux/slab.h>​ char *buff;​ static int __init interrupt_init(void)​ ​ printk("init ok\\n");​ 申请空间*/​ buff=kmalloc(1024, GFP_KERNEL);​ 初始化空间*/​ memset(buff,0x10,1024);​ 打印出空间的数据*/​ int i;​ for(i=0;i<1024;i++)​ ​ printk("0x%X \\n",buff[i]);​ ​ return 0;​ ​ static void __exit interrupt_exit(void)​ ​ 释放申请的空间*/​ kfree(buff);​ printk("exit ok\\n");​ ​ module_init(interrupt_init); /*驱动入口*/​ module_exit(interrupt_exit); /*驱动出口*/​ MODULE_LICENSE("GPL");​

1.2 vmalloc 函数​

分配的空间是线性的，在物理地址上不连续！最多分配1GB的空间。​

定义文件：\\mm\\vmalloc.c​

头文件：#include <linux/vmalloc.h>​

1.2.1 申请空间​

void *vmalloc(unsigned long size)​

参数：​

unsigned long size ：分配空间的大小​

返回值：申请的空间首地址​

1.2.2 释放空间​

void vfree(const void *addr)​

参数：​

const void *addr：释放的空间首地址​

1.2.3 示例​

#include <linux/init.h>​ #include <linux/module.h>​ #include <linux/vmalloc.h>​ #include <linux/slab.h>​ char *buff=NULL;​ static int __init interrupt_init(void)​ ​ printk("init ok\\n");​ 申请空间*/​ buff=vmalloc(1024);​ if(buff==NULL)​ ​ 内存空间分配失败!\\n\\n");​ ​ 初始化空间*/​ memset(buff,0x10,1024);​ 打印出空间的数据*/​ int i;​ for(i=0;i<1024;i++)​ ​ printk("0x%X \\n",buff[i]);​ ​ printk("buff=0x%x\\n",buff); //buff=0xf0537000​ return 0;​ ​ static void __exit interrupt_exit(void)​ ​ 释放申请的空间*/​ vfree(buff);​ printk("exit ok\\n");​ ​ module_init(interrupt_init); /*驱动入口*/​ module_exit(interrupt_exit); /*驱动出口*/​ MODULE_LICENSE("GPL");​

1.3 区别总结​

1. kmalloc和vmalloc是分配的是内核的内存,malloc分配的是用户的内存​
2. kmalloc保证分配的内存在物理上是连续的,vmalloc保证的是在虚拟地址空间上的连续​
3. kmalloc能分配的大小有限,vmalloc能分配的大小相对较大​
4. 内存只有在要被DMA访问的时候才需要物理上连续​
5. vmalloc比kmalloc要慢​

MMAP驱动实现​

2.1 应用层mmap函数介绍​

mmap函数用于将一个文件或者其它对象映射进内存，通过对这段内存的读取和修改，来实现对文件的读取和修改，而不需要再调用read,write等操作。​

头文件：<sys/mman.h>​

函数原型：​

void* mmap(void* start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offset);​ int munmap(void* start,size_t length);​

• 映射函数

void *mmap(void *addr, size_t len, int prot, int flags, int fd, off_t offset); ​

1. addr: 指定映射的起始地址，通常设为NULL，由系统指定。​
2. length:映射到内存的文件长度。​
3. prot:映射的保护方式，可以是：​PROT_EXEC：映射区可被执行​
   PROT_READ：映射区可被读取​
   PROT_WRITE：映射区可被写入​
   PROT_NONE：映射区不能存取​
4. Flags: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(copy_on_write)，对此区域所做的修改不会写回原文件。​
5. fd:由open返回的文件描述符，代表要映射的文件。​
6. offset:以文件开始处的偏移量，必须是分页大小的整数倍，通常为0，表示从文件头开始映射。​

• 解除映射

int munmap(void *start, size_t length); ​

功能：取消参数start所指向的映射内存，参数length表示欲取消的内存大小。​

返回值：解除成功返回0，否则返回-1​

2.2 Linux内核的mmap接口​

2.2.1 内核描述虚拟内存的结构体​

Linux内核中使用结构体vm_area_struct来描述虚拟内存的区域，其中几个主要成员如下：​

unsigned long vm_start 虚拟内存区域起始地址​

unsigned long vm_end 虚拟内存区域结束地址​

unsigned long vm_flags 该区域的标志​

该结构体定义在<linux/mm_types.h>头文件中。​

该结构体的vm_flags成员赋值的标志为：VM_IO和VM_RESERVED。​

其中：VM_IO表示对设备IO空间的映射，M_RESERVED表示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（取消）。​

2.2.2 mmap操作接口​

在字符设备的文件操作集合（struct file_operations）中有mmap函数的接口。原型如下：​

int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);​

其中第二个参数struct vm_area_struct *相当于内核找到的，可以拿来用的虚拟内存区间。mmap内部可以完成页表的建立。​

2.2.3 实现mmap映射​

映射一个设备是指把用户空间的一段地址关联到设备内存上，当程序读写这段用户空间的地址时，它实际上是在访问设备。这里需要做的两个操作：​

1.找到可以用来关联的虚拟地址区间。​

2.实现关联操作。​

mmap设备操作实例如下：​

static int tiny4412_mmap(struct file *myfile, 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_RESERVED;//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 ​ 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​ //说明:向后面移动12位相当于除4096 ，为了得到页编号 ​ 映射区域大小，一般是页大小的整数倍 ​ 保护属性， ​ ​ return -EAGAIN; ​ ​ printk("tiny4412_mmap\\n");​ return 0;​ ​

其中的buf就是在内核中申请的一段空间。使用kmalloc函数实现。​

代码如下：​

buf = (char *)kmalloc(MM_SIZE, GFP_KERNEL);​ //内核申请内存只能按页申请，申请该内存以便后面把它当作虚拟设备 ​

2.2.4 remap_pfn_range函数​

remap_pfn_range函数用于一次建立所有页表。函数原型如下：​

int remap_pfn_range(struct vm_area_struct *vma, unsigned long addr, unsigned long pfn, unsigned long size, pgprot_t prot); ​

其中vma是内核为我们找到的虚拟地址空间，addr要关联的是虚拟地址，pfn是要关联的物理地址，size是关联的长度是多少。​

• ioremap与phys_to_virt、virt_to_phys的区别：ioremap是用来为IO内存建立映射的， 它为IO内存分配了虚拟地址，这样驱动程序才可以访问这块内存。
  phys_to_virt只是计算出某个已知物理地址所对应的虚拟地址。将内核物理地址转化为虚拟地址。
  virt_to_phys ：将内核虚拟地址转化为物理地址。

IO地址空间映射​

3.1 ioremap函数​

ioremap将一个IO地址空间映射到内核的虚拟地址空间上去，便于访问。​

void * __ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size, unsigned long flags)​ void *ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size)​

参数:​

phys_addr：要映射的起始的IO地址；​ size：要映射的空间的大小；​ flags：要映射的IO空间的和权限有关的标志；​ phys_addr：是要映射的物理地址​ size：是要映射的长度，单位是字节​

头文件：#include <linux/io.h> ​

功能：将一个IO地址空间映射到内核的虚拟地址空间上去，便于访问；​

实现：对要映射的IO地址空间进行判断，低PCI/ISA地址不需要重新映射，也不允许用户将IO地址空间映射到正在使用的RAM中，最后申请一个 vm_area_struct结构，调用remap_area_pages填写页表，若填写过程不成功则释放申请的vm_area_struct空间；​

ioremap 依靠 __ioremap实现,它只是在__ioremap中以第三个参数为0调用来实现.​

ioremap是内核提供的用来映射外设寄存器到主存的函数，我们要映射的地址已经从pci_dev中读了出来（上一步），这样就水到渠成的成功映射了而不会和其他地址有冲突。映射完了有什么效果呢，我举个例子，比如某个网卡有100 个寄存器，他们都是连在一块的，位置是固定的，假如每个寄存器占4个字节，那么一共400个字节的空间被映射到内存成功后，ioaddr就是这段地址的开头（注意ioaddr是虚拟地址，而mmio_start是物理地址，它是Bios得到的，肯定是物理地址，而保护模式下CPU不认物理地址，只认虚拟地址），ioaddr+0就是第一个寄存器的地址，ioaddr+4就是第二个寄存器地址（每个寄存器占4个字节），以此类推，我们就能够在内存中访问到所有的寄存器进而操控他们了。​

3.2 iounmap函数​

void iounmap(void *addr)​

取消ioremap映射的空间。​

3.3 补充说明​

1、ioremap 按照页大小进行映射，而且是整页 。​

2、ioremap 允许对一个物理地址进行多次映射，而且分配的虚拟空间地址各不相同（多个虚拟地址对应于同一个物理地址）。而且，ioumap相互不影响。‬​

3.4 示例​

volatile unsigned int *GPD0CON;​ volatile unsigned int *GPD0DAT;​ GPD0CON=ioremap(0x114000A0,4); /*CON*/​ GPD0DAT=ioremap(0x114000A4,4);​

四、linux内核readl()和writel()函数​

writel()往内存映射的I/O 上写入 32 位数据 (4字节)。​

readl()从内存映射的I/O上读取32位的数据(4字节)。​

writel函数：​ void writel(unsigned char data , unsigned short addr)​ 参数说明​ data:写入的数据​ addr:I/O地址​ readl函数： ​ unsigned char readl (unsigned int addr )​ 参数说明​ addr : I/O 地址。​ 返回值 ： 从I/O空间读取的数值。​

示例:​

static long beep_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long argv)​ ​ u32 data;​ switch(cmd)​ ​ case 1234:​ data=readl(GPD0DAT);​ data|=1<<0;​ writel(data,GPD0DAT);​ printk("开蜂鸣器\\n");​ //*GPD0DAT &=~(1 << 0); //关蜂鸣器​ break;​ case 5678:​ data=readl(GPD0DAT);​ data&=~(1<<0);​ writel(data,GPD0DAT);​ printk("关蜂鸣器\\n");​ //*GPD0DAT |=(1 << 0); //开蜂鸣器​ break;​ ​ return 0;​

五、MMU(内存管理单元)​

MMU是中央处理器（CPU）中用来管理虚拟存储器、物理存储器的控制线路，同时也负责虚拟地址映射为物理地址，以及提供硬件机制的内存访问授权，多用户多进程操作系统。它一个与软件密切相关的硬件部件，也是理解Linux等操作系统内核机制的最大障碍之一。不搞清楚MMU原理会使编程思想停留在单片机与无OS的时代。​

5.1 MMU历史概述​

Linux下内存空间分配物理地址与虚拟地址映射

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Linux 内核 内存管理内存映射原理 ① ( 物理地址空间 | 外围设备寄存器 | 外围设备寄存器的物理地址 映射到 虚拟地址空间 )

linux内存池能分配连续物理内存吗

malloc内存分配原理 [linux]--mallocbrkmmap

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