如何用mmap()映射设备IO内存到用户空间？兼析LDD3代码差异

第一段代码的映射原理与映射对象 #

先看这段代码：

static int simple_remap_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma)
{
    if (remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, vma->vm_pgoff,
                vma->vm_end - vma->vm_start,
                vma->vm_page_prot))
        return -EAGAIN;

    vma->vm_ops = &simple_remap_vm_ops;
    simple_vma_open(vma);
    return 0;
}

• 物理地址的传递方式：这段代码并非没用到物理地址，而是通过用户态mmap调用的offset参数间接传入。内核会把用户传入的offset右移PAGE_SHIFT位（转换为页框号PFN），存到vma->vm_pgoff里。remap_pfn_range的第三个参数就是这个PFN，对应设备IO内存的物理地址（物理地址 = PFN << PAGE_SHIFT）。
• 映射对象：这段代码专门用来映射设备IO物理内存，比如外设寄存器、显存这类独立于系统RAM的硬件地址区域。这类地址不在内核的常规页管理体系中，所以可以直接通过PFN映射到用户空间。而普通RAM的物理页受内核页管理跟踪，直接用remap_pfn_range映射会破坏页表一致性，因此不能用这段代码映射RAM。

两段代码的差异原因 #

第二段代码如下：

static struct vm_operations_struct simple_remap_vm_ops = {
    .open =  simple_vma_open,
    .close = simple_vma_close,
};

static int simple_remap_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma)
{
    int rv;
    size_t len = vma->vm_end - vma->vm_start;
    struct page *pages;

    /*
     * To prevent from memory over run. Limit the maximux mmap size here
     * to 10 * PAGE_SIZE
     */
    if (len >> PAGE_SHIFT > 10) {
        pr_err("Map size overflow! len=%ld pages\n", len >> PAGE_SHIFT);
        return -EFAULT;
    }

    /*
     * Allocate necessary pages and initialize it properly.
     * We initialize all memory to a special value: 0xdeadbeef
     */
    pages = alloc_pages(GFP_KERNEL, get_order(len));
    memset32(page_address(pages), 0xdeadbeef,
         (1 << get_order(len)) * PAGE_SIZE / 4);

    rv = remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, page_to_pfn(pages),
                vma->vm_end - vma->vm_start,
                vma->vm_page_prot);
    if (rv) {
        return -EAGAIN;
    }

    pr_debug("vm_start: %#lx, vm_end: %#lx\n, len: %#lx, vm_pgoff: %#lx(%#lx), ops=%p\n",
         vma->vm_start, vma->vm_end, len,
         vma->vm_pgoff, vma->vm_pgoff << PAGE_SHIFT,
         vma->vm_ops);

    vma->vm_ops = &simple_remap_vm_ops;
    simple_vma_open(vma);

    return 0;
}

两段代码的核心差异在于映射对象完全不同：

1. 第一段是映射预先存在的硬件IO物理内存：这类内存是硬件自带的固定物理地址区域，不需要内核分配，只需要建立虚拟地址到物理地址的页表映射即可。
2. 第二段是映射内核动态分配的系统RAM：这里的目标是给用户空间提供一块共享内存，所以必须先通过alloc_pages从内核页分配器申请物理页，初始化后再把这些页的PFN（通过page_to_pfn获取）映射到用户空间。

简单来说，第一段是“映射已有硬件地址”，第二段是“先分配内存再映射”，这就是为什么第二段需要显式分配页面，而第一段不需要的根本原因。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者bielu000