嵌入式Linux应用开发-基础知识-第十九章驱动程序基石⑤

嵌入式Linux应用开发-基础知识-第十九章驱动程序基石⑤

  • 第十九章 驱动程序基石⑤
    • 19.9 mmap
      • 19.9.1 内存映射现象与数据结构
      • 19.9.2 ARM架构内存映射简介
        • 19.9.2.1 一级页表映射过程
        • 19.9.2.2 二级页表映射过程
      • 19.9.3 怎么给APP新建一块内存映射
        • 19.9.3.1 mmap调用过程
        • 19.9.3.2 cache和 buffer
        • 19.9.3.3 驱动程序要做的事
      • 19.9.4 编程
      • 19.9.4.1
        • 19.9.4.2 驱动编程
        • 19.9.4.3 上机测试

第十九章 驱动程序基石⑤

在这里插入图片描述

19.9 mmap

应用程序和驱动程序之间传递数据时,可以通过 read、write函数进行。这涉及在用户态 buffer和内核态 buffer之间传数据,如下图所示: 在这里插入图片描述

应用程序不能直接读写驱动程序中的 buffer,需要在用户态 buffer和内核态 buffer之间进行一次数据拷贝。这种方式在数据量比较小时没什么问题;但是数据量比较大时效率就太低了。比如更新 LCD显示时,如果每次都让 APP传递一帧数据给内核,假设 LCD采用 102460032bpp的格式,一帧数据就有102460032/8=2.3MB左右,这无法忍受。
改进的方法就是让程序可以直接读写驱动程序中的 buffer,这可以通过 mmap实现(memory map),把内核的 buffer映射到用户态,让 APP在用户态直接读写。

19.9.1 内存映射现象与数据结构

假设有这样的程序,名为 test.c: #include <stdio.h>

#include <unistd.h> 
#include <stdlib.h> int a; 
int main(int argc, char **argv) 
{ if (argc != 2) { printf("Usage: %s <number>\n", argv[0]); return -1; } a = strtol(argv[1], NULL, 0); printf("a's address = 0x%lx, a's value = %d\n", &a, a);  while (1) { sleep(10); } return 0; 
} 

在 PC上如下编译(必须静态编译):
gcc -o test test.c -staitc
分别执行 test程序 2次,最后执行 ps,可以看到这 2个程序同时存在,这 2个程序里 a变量的地址相同,但是值不同。如下图:
在这里插入图片描述

观察到这些现象:
① 2个程序同时运行,它们的变量 a的地址都是一样的:0x6bc3a0;
② 2个程序同时运行,它们的变量 a的值是不一样的,一个是 12,另一个是 123。
疑问来了:
① 这 2个程序同时在内存中运行,它们的值不一样,所以变量 a的地址肯定不同;

② 但是打印出来的变量 a的地址却是一样的。
怎么回事?
这里要引入虚拟地址的概念:CPU发出的地址是虚拟地址,它经过 MMU(Memory Manage Unit,内存管理单元)映射到物理地址上,对于不同进程的同一个虚拟地址,MMU会把它们映射到不同的物理地址。如下图: 在这里插入图片描述

当前运行的是 app1时,MMU会把 CPU发出的虚拟地址 addr映射为物理地址 paddr1,用 paddr1去访问内存。
当前运行的是 app2时,MMU会把 CPU发出的虚拟地址 addr映射为物理地址 paddr2,用 paddr2去访问内存。
MMU负责把虚拟地址映射为物理地址,虚拟地址映射到哪个物理地址去?
可以执行 ps命令查看进程 ID,然后执行“cat /proc/325/maps”得到映射关系。
每一个 APP在内核里都有一个 tast_struct,这个结构体中保存有内存信息:mm_struct。而虚拟地址、物理地址的映射关系保存在页目录表中,如下图所示:
在这里插入图片描述
解析如下:
① 每个 APP在内核中都有一个 task_struct结构体,它用来描述一个进程;
② 每个 APP都要占据内存,在 task_struct中用 mm_struct来管理进程占用的内存;
内存有虚拟地址、物理地址,mm_struct中用 mmap来描述虚拟地址,用 pgd来描述对应的物理地址。
注意:pgd,Page Global Directory,页目录。
③ 每个 APP都有一系列的 VMA:virtual memory
比如 APP含有代码段、数据段、BSS段、栈等等,还有共享库。这些单元会保存在内存里,它们的地址空间不同,权限不同(代码段是只读的可运行的、数据段可读可写),内核用一系列的vm_area_struct来描述它们。
vm_area_struct中的 vm_start、vm_end是虚拟地址。
④ vm_area_struct中虚拟地址如何映射到物理地址去?
每一个 APP的虚拟地址可能相同,物理地址不相同,这些对应关系保存在 pgd中。

19.9.2 ARM架构内存映射简介

ARM架构支持一级页表映射,也就是说 MMU根据 CPU发来的虚拟地址可以找到第 1个页表,从第 1个页表里就可以知道这个虚拟地址对应的物理地址。一级页表里地址映射的最小单位是 1M。
ARM架构还支持二级页表映射,也就是说 MMU根据 CPU发来的虚拟地址先找到第 1个页表,从第 1个页表里就可以知道第 2级页表在哪里;再取出第 2级页表,从第 2个页表里才能确定这个虚拟地址对应的物理地址。二级页表地址映射的最小单位有 4K、1K,Linux使用 4K。
一级页表项里的内容,决定了它是指向一块物理内存,还是指问二级页表,如下图:
在这里插入图片描述

19.9.2.1 一级页表映射过程

一线页表中每一个表项用来设置 1M的空间,对于 32位的系统,虚拟地址空间有 4G,4G/1M=4096。所以一级页表要映射整个 4G空间的话,需要 4096个页表项。
第 0个页表项用来表示虚拟地址第 0个 1M(虚拟地址为 0~0x1FFFFF)对应哪一块物理内存,并且有一些权限设置;
第 1个页表项用来表示虚拟地址第 1个 1M(虚拟地址为 0x100000~0x2FFFFF)对应哪一块物理内存,并且有一些权限设置;
依次类推。
使用一级页表时,先在内存里设置好各个页表项,然后把页表基地址告诉 MMU,就可以启动 MMU了。
以下图为例介绍地址映射过程:
① CPU发出虚拟地址 vaddr,假设为 0x12345678
② MMU根据 vaddr[31:20]找到一级页表项:
虚拟地址 0x12345678是虚拟地址空间里第 0x123个 1M,所以找到页表里第 0x123项,根据此项内容知道它是一个段页表项。
段内偏移是 0x45678。
③ 从这个表项里取出物理基地址:Section Base Address,假设是 0x81000000
④ 物理基地址加上段内偏移得到:0x81045678
所以 CPU要访问虚拟地址 0x12345678时,实际上访问的是 0x81045678的物理地址
在这里插入图片描述

19.9.2.2 二级页表映射过程

首先设置好一级页表、二级页表,并且把一级页表的首地址告诉 MMU。

以下图为例介绍地址映射过程:
① CPU发出虚拟地址 vaddr,假设为 0x12345678
② MMU根据 vaddr[31:20]找到一级页表项:
虚拟地址 0x12345678是虚拟地址空间里第 0x123个 1M,所以找到页表里第 0x123项。根据此项内容知道它是一个二级页表项。
③ 从这个表项里取出地址,假设是 address,这表示的是二级页表项的物理地址;
④ vaddr[19:12]表示的是二级页表项中的索引 index即 0x45,在二级页表项中找到第 0x45项;
⑤ 二级页表项格式如下:
在这里插入图片描述

里面含有这 4K或 1K物理空间的基地址 page base addr,假设是 0x81889000:
它跟 vaddr[11:0]组合得到物理地址:0x81889000 + 0x678 = 0x81889678。
所以 CPU要访问虚拟地址 0x12345678时,实际上访问的是 0x81889678的物理地址
在这里插入图片描述

19.9.3 怎么给APP新建一块内存映射

19.9.3.1 mmap调用过程

从上面内存映射的过程可以知道,要给 APP新开劈一块虚拟内存,并且让它指向某块内核 buffer,我们要做这些事:
① 得到一个 vm_area_struct,它表示 APP的一块虚拟内存空间;
很幸运,APP调用 mmap系统函数时,内核就帮我们构造了一个 vm_area_stuct结构体。里面含有虚拟地址的地址范围、权限。
② 确定物理地址:
你想映射某个内核 buffer,你需要得到它的物理地址,这得由你提供。 ③ 给 vm_area_struct和物理地址建立映射关系:
也很幸运,内核提供有相关函数。
APP里调用 mmap时,导致的内核相关函数调用过程如下:
在这里插入图片描述

19.9.3.2 cache和 buffer

本小节参考:
ARM的 cache和写缓冲器(write buffer)
https://blog.csdn.net/gameit/article/details/13169445
使用 mmap时,需要有 cache、buffer的知识。下图是 CPU和内存之间的关系,有 cache、buffer(写缓冲器)。Cache是一块高速内存;写缓冲器相当于一个 FIFO,可以把多个写操作集合起来一次写入内存。
在这里插入图片描述

程序运行时有“局部性原理”,这又分为时间局部性、空间局部性。
① 时间局部性:
在某个时间点访问了存储器的特定位置,很可能在一小段时间里,会反复地访问这个位置。
② 空间局部性:
访问了存储器的特定位置,很可能在不久的将来访问它附近的位置。
而 CPU的速度非常快,内存的速度相对来说很慢。CPU要读写比较慢的内存时,怎样可以加快速度?根据“局部性原理”,可以引入 cache。

① 读取内存 addr处的数据时:
先看看 cache中有没有 addr的数据,如果有就直接从 cache里返回数据:这被称为 cache命中。
如果 cache中没有 addr的数据,则从内存里把数据读入,注意:它不是仅仅读入一个数据,而是读入一行数据(cache line)。
而 CPU很可能会再次用到这个 addr的数据,或是会用到它附近的数据,这时就可以快速地从 cache中获得数据。
② 写数据:
CPU要写数据时,可以直接写内存,这很慢;也可以先把数据写入 cache,这很快。
但是 cache中的数据终究是要写入内存的啊,这有 2种写策略:
a. 写通(write through):
数据要同时写入 cache和内存,所以 cache和内存中的数据保持一致,但是它的效率很低。能改进吗?可以!使用“写缓冲器”:cache大哥,你把数据给我就可以了,我来慢慢写,保证帮你写完。
有些写缓冲器有“写合并”的功能,比如 CPU执行了 4条写指令:写第 0、1、2、3个字节,每次写 1字节;写缓冲器会把这 4个写操作合并成一个写操作:写 word。对于内存来说,这没什么差别,但是对于硬件寄存器,这就有可能导致问题。
所以对于寄存器操作,不会启动 buffer功能;对于内存操作,比如 LCD的显存,可以启用 buffer功能。
b. 写回(write back):
新数据只是写入 cache,不会立刻写入内存,cache和内存中的数据并不一致。
新数据写入 cache时,这一行 cache被标为“脏”(dirty);当 cache不够用时,才需要把脏的数据写入内存。
使用写回功能,可以大幅提高效率。但是要注意 cache和内存中的数据很可能不一致。这在很多时间要小心处理:比如 CPU产生了新数据,DMA把数据从内存搬到网卡,这时候就要 CPU执行命令先把新数据从cache刷到内存。反过来也是一样的,DMA从网卡得过了新数据存在内存里,CPU读数据之前先把 cache中的数据丢弃。
是否使用 cache、是否使用 buffer,就有 4种组合(Linux内核文件 arch\arm\include\asm\pgtable-2level.h):
在这里插入图片描述

上面 4种组合对应下表中的各项,一一对应(下表来自 s3c2410芯片手册,高架构的 cache、buffer更复杂,但是这些基础知识没变):
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

第 1种是不使用 cache也不使用 buffer,读写时都直达硬件,这适合寄存器的读写。
第 2种是不使用 cache但是使用 buffer,写数据时会用 buffer进行优化,可能会有“写合并”,这适合显存的操作。因为对显存很少有读操作,基本都是写操作,而写操作即使被“合并”也没有关系。
第 3种是使用 cache不使用 buffer,就是“write through”,适用于只读设备:在读数据时用 cache加速,基本不需要写。
第 4种是既使用 cache又使用 buffer,适合一般的内存读写。

19.9.3.3 驱动程序要做的事

驱动程序要做的事情有 3点:
① 确定物理地址
② 确定属性:是否使用 cache、buffer ③ 建立映射关系
参考 Linux源文件,示例代码如下:
在这里插入图片描述
还有一个更简单的函数:
在这里插入图片描述

19.9.4 编程

使用 GIT命令载后,本节源码位于这个目录下:

01_all_series_quickstart\ 
05_嵌入式 Linux驱动开发基础知识\source\ 
07_mmap 

目的:我们在驱动程序中申请一个 8K的 buffer,让 APP通过 mmap能直接访问。

19.9.4.1

APP编程
APP怎么写?open驱动、buf=mmap(……)映射内存,直接读写 buf就可以了,代码如下:

22      /* 1. 打开文件 */ 
23      fd = open("/dev/hello", O_RDWR); 
24      if (fd == -1) 
25      { 
26              printf("can not open file /dev/hello\n"); 
27              return -1; 
28      } 
29 
30      /* 2. mmap 
31       * MAP_SHARED  : 多个 APP都调用 mmap映射同一块内存时, 对内存的修改大家都可以看到。 32       *               就是说多个 APP、驱动程序实际上访问的都是同一块内存 
33       * MAP_PRIVATE : 创建一个 copy on write的私有映射。 
34       *               当 APP对该内存进行修改时,其他程序是看不到这些修改的。 
35       *               就是当 APP写内存时, 内核会先创建一个拷贝给这个 APP, 
36       *               这个拷贝是这个 APP私有的, 其他 APP、驱动无法访问。 
37       */ 
38      buf =  mmap(NULL, 1024*8, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); 
39      if (buf == MAP_FAILED) 
40      { 
41              printf("can not mmap file /dev/hello\n"); 
42              return -1; 
43      } 

最难理解的是 mmap函数 MAP_SHARED、MAP_PRIVATE参数。使用 MAP_PRIVATE映射时,在没有发生写操作时,APP、驱动访问的都是同一块内存;当 APP发起写操作时,就会触发“copy on write”,即内核会先创建该内存块的拷贝,APP的写操作在这个新内存块上进行,这个新内存块是 APP私有的,别的 APP、驱动看不到。
仅用 MAP_SHARED参数时,多个 APP、驱动读、写时,操作的都是同一个内存块,“共享”。
MAP_PRIVATE映射是很有用的,Linux中多个 APP都会使用同一个动态库,在没有写操作之前大家都使用内存中唯一一份代码。当 APP1发起写操作时,内核会为它复制一份代码,再执行写操作,APP1就有了专享的、私有的动态库,在里面做的修改只会影响到 APP1。其他程序仍然共享原先的、未修改的代码。
有了这些知识后,下面的代码就容易理解了,请看代码中的注释:

44 
45      printf("mmap address = 0x%x\n", buf); 
46      printf("buf origin data = %s\n", buf); /* old */ 
47 
48      /* 3. write */ 
49      strcpy(buf, "new"); 
50 
51      /* 4. read & compare */ 
52      /* 对于 MAP_SHARED映射:  str = "new" 
53       * 对于 MAP_PRIVATE映射: str = "old" 
54       */ 
55      read(fd, str, 1024); 
56      if (strcmp(buf, str) == 0) 
57      { 
58              /* 对于 MAP_SHARED映射,APP写的数据驱动可见 
59               * APP和驱动访问的是同一个内存块 
60               */ 
61              printf("compare ok!\n"); 
62      } 
63      else 
64      { 
65              /* 对于 MAP_PRIVATE映射,APP写数据时, 是写入另一个内存块(是原内存块的"拷贝") 66               */ 
67              printf("compare err!\n"); 
68              printf("str = %s!\n", str);  /* old */ 
69              printf("buf = %s!\n", buf);  /* new */ 
70      } 

执行测试程序后,查看到它的进程号 PID,执行这样的命令查看这个程序的内存使用情况: cat /proc/PIC/maps

19.9.4.2 驱动编程

驱动程序要做什么?
① 分配一块 8K的内存
使用哪一个函数分配内存?
在这里插入图片描述

我们应该使用 kmalloc或 kzalloc,这样得到的内存物理地址是连续的,在 mmap时后 APP才可以使用同一个基地址去访问这块内存。(如果物理地址不连续,就要执行多次 mmap了)。
② 提供 mmap函数
关键在于 mmap函数,代码如下:
在这里插入图片描述
要注意的是,remap_pfn_range中,pfn的意思是“Page Frame Number”。在 Linux中,整个物理地址空间可以分为第 0页、第 1页、第 2页,诸如此类,这就是 pfn。假设每页大小是 4K,那么给定物理地址phy,它的 pfn = phy / 4096 = phy >> 12。内核的 page一般是 4K,但是也可以配置内核修改 page的大小。所以为了通用,pfn = phy >> PAGE_SHIFT。
APP调用 mmap后,会导致驱动程序的 mmap函数被调用,最终 APP的虚拟地址和驱动程序中的物理地址就建立了映射关系。APP可以直接访问驱动程序的 buffer。

19.9.4.3 上机测试

在 Ubuntu中编译好驱动、测试程序,放到开发板。 在开发板上安装驱动、执行测试程序。

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