字符设备驱动另一种写法—mmap方法操作LED

Posted 2020-10-19 韦东山

mmap方法的用处是把设备（文件）内容直接映射到进程虚拟空间，通过对这个虚拟地址的读写修改，实现对设备（文件）的读写和修改，从而不必使用read、write等系统调用即可实现对设备的操作。

最近在看韦老师的视频，讲解了很多种字符设备的驱动写法。经过自己的研究之后，我发现还有另外一种写法，直接在应用层操作，省去了内核中的地址映射部分，使得用户可以在应用层直接操作LED。
      
mmap方法是把设备物理地址直接映射到用户空间的一种系统调用方法，他使得用户可以在应用层直接操作硬件设备，而不必在驱动里使用ioremap做地址映射。这在一定程度上实现了传说中的“零拷贝”技术。即，设备的数据不用经过内核的转存，再向应用层提交数据。由于设备物理地址直接映射到了用户空间，所以就相当于省去了内核的中间媒介，用户空间直接去操作硬件设备。
   
总结一下，mmap方法的用处是把设备（文件）内容直接映射到进程虚拟空间，通过对这个虚拟地址的读写修改，实现对设备（文件）的读写和修改，从而不必使用read、write等系统调用即可实现对设备的操作。

mmap的内核态函数为：
int (*mmap)(struct file *filp,struct vm_area_struct *vma)
结构体struct vm_area_struct *vma是我们在使用mmap系统调用的时候内核帮我们找到的虚拟地址区间，它的主要成员是：
    vma->vm_start:  映射后的用户态虚拟地址起始地址；
    vma->vm_end:   映射后的用户态虚拟地址结束地址；
    vma->vm_pgoff:   物理地址所在的页帧号，它的值由用户空间传进来的物理地址右移PAGE_SHIFT位得到，PAGE_SHIFT值为12，那么它右移12位就得到物理地址的页帧号（一页大小为4KB）。

下面是我写的内核驱动程序，在TQ2440开发板上运行：

#include linux/kernel.h

 #include linux/init.h

 #include linux/module.h

 #include linux/fs.h

 #include linux/cdev.h

 #include linux/mm.h

 #include linux/device.h

 #define DEV_NAME  mmapled

 struct mmapled

{

   dev_t devno;

   struct cdev mcdev;

   struct class *mmap_class;

};

struct mmapled *mpt;

int mmapled_open(struct inode *inode, struct file *filp)

{

    printk(In kernel open,major =%d,minor = %d\\n,MAJOR(mpt->devno),MINOR(mpt->devno));

    return 0;

}

int mmapled_close(struct inode *inode,struct file *filp)

{

    return 0;

}

 

/* mmap系统调用函数 */

int mmapled_mmap(struct file *filp,structvm_area_struct *vma)

{

   int ret;

   vma->vm_flags |= VM_RESERVED;

   vma->vm_flags |= VM_IO;

   vma->vm_page_prot = pgprot_noncached(vma->vm_page_prot);

 

 /* vma->vm_pgoff为用户层off, PAGE_SHIFT,即物理地址的页帧号,映射大小必为PAGE_SIZE整数倍 */

 

  ret =remap_pfn_range(vma,vma->vm_start,vma->vm_pgoff,vma->vm_end -vma->vm_start,vma->vm_page_prot);

 if(ret)

 {

    printk(remap_pfn_range err!\\n);

    return -EAGAIN;

 }

printk(In %s,pgoff = %lx, start= %lx,end = %lx\\n,__func__,vma->vm_pgoff,vma->vm_start,vma->vm_end);

return 0;

}

 

/* 文件操作结构体 */

struct file_operations mmapled_fops =

{

   .owner   =THIS_MODULE,

   .open     =mmapled_open,

   .release  = mmapled_close,

   .mmap  = mmapled_mmap,

};

 

/* 驱动程序入口函数 */

int mmapled_init(void)

{

    int ret;

    mpt = kzalloc(sizeof(struct mmapled),GFP_KERNEL);

if(!mpt)

 {

    printk(kzalloc mpt err!\\n);

    return -ENOMEM;

 }

  /* 动态分配主设备号，起始次设备号为0 */

ret = alloc_chrdev_region(mpt->devno,0,1,DEV_NAME);

if(ret)

  {

     printk(register chrdev err!\\n);

     kfree(mpt);

     return ret;

  }

   /* 创建类，用于自动创建设备节点 */

  mpt->mmap_class=class_create(THIS_MODULE, DEV_NAME);

  if(IS_ERR(mpt->mmap_class))

   {

      printk(KERN_ALERTabsmem_class create failed.\\n);

      kfree(mpt);

      unregister_chrdev_region(mpt->devno,1);

      return -1;

  }

cdev_init(mpt-mcdev, mmapled_fops);

mpt->mcdev.owner=THIS_MODULE;

cdev_add(mpt->mcdev,mpt->devno,1);

 

/* 创建设备节点mmapled0 */

device_create(mpt->mmap_class,NULL,mpt->devno,NULL,mmapled%d,0);

return 0;

}

/* 驱动程序出口函数 */

void mmapled_exit(void)

{

   device_destroy(mpt->mmap_class,mpt->devno);

   cdev_del(mpt->mcdev);

   class_destroy(mpt->mmap_class);

   unregister_chrdev_region(mpt->devno,1);

   kfree(mpt);

}

module_init(mmapled_init);

module_exit(mmapled_exit);

MODULE_LICENSE(GPL);

  用户态的mmap函数接口为：
  void *mmap(void *addr, size_t len, int prot, int flags, int fd, off_t offset)
     函数参数的意义如下：
     addr:指定映射的起始地址，即进程虚拟空间的虚拟地址，人为的指定；通常设置为NULL，让内核帮我们去指定；
     len:  要映射的区间大小；
     prot: 映射区的保护方式，可以取以下值：
              PROC_EXEC:映射区可被执行；
              PROC_READ:映射区可被读取；
              PROC_WRITE:映射区可写；
              PROC_NONE:映射区不能存取。
     flags是映射区的特性，可以取以下值：
             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:对映射区的写入会产生一个映射区的复制(COPY_ON_WRITE)，对此映射区的修改不会写入源文件；
    fd：由open函数返回的文件描述符；
    offset：文件开始处的偏移量，必须是分页大小的整数倍。
    函数返回值：映射得到的用户虚拟地址；

下面是我写的用户态的程序，供大家参考（在TQ2440开发板上运行，如果是其他开发板，可以参考原理图做一些修改）：

/* 函数功能：实现4个LED灯的同时亮灭，间隔为1秒 */

 

#include stdio.h

#include string.h

#include fcntl.h

#include sys/mman.h

 

#define DEV_NAME  /dev/mmapled0

 

int main()

{

  int fd,k;

  void *start, *reg=NULL;

 

 fd = open(DEV_NAME,O_RDWR);

   if(fd&0)

  {

      printf(Open device err!\\n);

      return -1;

   }

 

/*参数解释:

    * NULL:映射到的内核虚拟地址,设置为NULL由内核决定

    * 1024*4:映射大小,最小一页,必为页大小的整数倍

    * 映射区的权限

    * 对映射区的修改改变映射区的内容

    * fd:open返回的文件描述符

    * 物理地址,一个页的起始物理地址,它PAGE_SHIFT之后传给驱动的vma结构体的vm_pgoff

    */

/*0x56000000是LED等所在的GPIO口的BANK起始物理地址*/

/*start是得到的虚拟地址*/

start =mmap(NULL,1024*4,PROT_READ | PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0x56000000);

if(start == NULL)

 {

      printf(mmap err!\\n);

      return -1;

 }

  

reg = start + 0x10;                        // GPBCON，控制寄存器

*(unsigned*)reg = 0xfffc03ff;        // [17:10]清零

*(unsigned*)reg |= 0x00015400;  // [17:10]=01010101,输出功能

reg = start + 0x14;                       // GPBDAT

 

/* 量灭k次，实现对LED的操作 */

 k=25;

 while(k--)

 {

      *(unsigned*)reg & = ~(0x1e0); // [8:5], set 0,led on

      sleep(1);

      *(unsigned*)reg |= 0x1e0;    // [8:5], set 1,led off

      sleep(1);

      printf(k= %d\\n,k);

 }

 

/* 取消映射 */

munmap(start,1024*4);

close(fd);

return 0;

}

完。

 

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