这样理解mmap,挺有意思!

系统 Linux
mmap有很多用途,有人用它来实现进程间通信,有人用它搬运数据,对于我们嵌入式工程师来说,我们可以用它来点灯。嘿嘿,想不到吧!

大概雍正皇帝怎么也不会想到,自己在西历2022年的男生和女生眼里,会是截然不同的两种形象。

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以我对身边同学朋友的观察,男生们大多爱看《雍正王朝》,他们眼中的雍正,大约是个推行了“火耗归公”、“摊丁入亩”等遏制贪腐,减轻税收之类政策的改革家,是个经历了九子夺嫡的惊心动魄、腹黑深沉的政治家,是个登基后也兢兢业业,熬夜加班996的工作狂。

而女生们大多爱看《甄嬛传》,她们眼里的雍正,是“大胖橘”,是“大猪蹄子”,是被后宫一众妃嫔玩弄于股掌之中,戴了N顶绿帽,最后还被钮钴禄甄嬛气死的渣男。

我没完整的看过甄嬛传,但是有幸在吃饭的时候陪我家那位看过几集。

正所谓后宫佳丽三千人,铁杵磨成绣花针... (不是妃嫔太多了,皇帝就一个,难免会互相争风吃醋。位份高的贵妃的仗势欺人,一些小妃嫔无法正面回击,自然会用点别的奇淫技巧,扎小人就是其中一个出现频率较高的方法。

据我总结,扎小人这个技术的核心思想是:用户这边由于无法扎到正主,只能拿个自己身边的布片等物品模拟一个小人出来,在上面画上正主的经筋脉络,写上名字,施以某种魔法,然后用针扎自己手边的小人的某个穴道,远程那位正主的对应部位就会受到同样的折磨。

虽然有点神乎其技,令人羡慕而不可得。但是在linux内核开发里面,却可以用mmap的机制实现类似的效果。

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mmap的核心思想是:用户这边由于在用户态无法直接操作寄存器的物理地址,于是通过mmap方法进行内存映射,将物理地址映射到用户态的虚拟地址上,然后用户通过读写自己手边的虚拟地址,就可以实现对物理地址的读取/写入。

两者的共同点是,由于无法直接操作目标,所以通过某种方法,将自己能操作的事物和目标建立一种映射关系,从而达到如臂使指,指哪打哪,打哪哪疼的效果。

只要能建立起对目标的映射,我们借此映射能做什么文章,自然有很多想象空间。所以mmap有很多用途,有人用它来实现进程间通信,有人用它搬运数据,对于我们嵌入式工程师来说,我们可以用它来点灯。嘿嘿,想不到吧!

且听我慢慢道来。

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作为一个嵌入式工程师,花式点灯是必备技能。无论是写裸机代码操作GPIO口,还是通过物联网云端远程控制LED,从硬件的角度讲,核心原理都是找到连接LED的GPIO口,让它输出一个电信号。而从软件的角度讲,最终目的就是找到这个GPIO口对应寄存器的地址,根据实际的电路要求,让CPU给它写入一个1或者0。

裸机开发的时候,我们可以直接找到物理地址进行操作。而在Linux系统里却略有不同。因为在操作系统里有内核空间的存在,我们写的程序都是运行在用户态的,需要经过内核来对硬件进行驱动,无法直接操作物理地址。

你当然可以选择为这个LED写一个驱动,从而在用户空间通过read,write来操作它的状态。不过有些同学一听要写驱动,就想吟一首蜀道难来表达自己的望而却步。所以没了解过驱动的同学你也可以选择用一种更直接的方式:mmap。

就好像你可以选择给贵妃下药来控制她,不过下药这种方式需要精通药理、掌控时机,成本较高,难度较大。只要能达到目的,有时候扎个小人或许更加经济适用。

我在上家公司的时候用ARM Cortex-A9芯片做过一个项目,开发过程大概是先和硬件同事约定好一个协议,然后我通过GPIO口的输入输出模拟出这个协议,通过它对寄存器进行读写配置,驱动硬件ADC采样,然后将采回来的数据通过DMA传输,最终到应用层进行分析处理。其中驱动GPIO口的部分就用了mmap。

项目很大,做了半年多,想完全讲明白也不现实,不过我们可以从驱动GPIO口这个点切入,体会一下软件驱动硬件中间这玄妙的过程。聪明的你一定可以举一反三。

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作为一个软件工程师,拿到板子的时候,硬件工程师一般会给你一份文档,类似这样:

这个文档会指明,如果想操作这个GPIO口的话,你需要用GPIO外设的基地址加上偏移地址找到对应的寄存器地址,再用位操作给指定的bit写入命令。

不过我由于FPGA也会一些,所以我们公司里FPGA的Block Diagram都是我来建的。建好FPGA的硬件工程后做一下综合,从Address Map里就能看到我想用的GPIO口地址了。如图:

无论怎样,你现在拿到这个所谓的硬件寄存器地址了,接下来我们就可以拿小人扎它了。

以上图我拿到的0x43C00000为例,这是寄存器的地址,那我能否直接在应用程序里把0x43C00000赋值给一个指针,然后对它进行读写呢?

在玩裸机的时候确实是这样的。但是上面说了,Linux系统有虚拟内存的存在,就不能这么做了。因为理论上我可以在系统里开100个进程,这100个进程里都有0x43C00000这个地址,那这100个地址哪个是真正的寄存器地址呢?可能都不是。因为进程里的0x43C00000是虚拟的,它真正对应的物理地址在哪里,没人知道。要想把虚拟地址和物理地址对应起来,就得用mmap进行内存映射。

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mmap的函数接口定义如下:

void mmap(void addr,size_t length,
int prot,int flags,
int fd,off_t offset);

这里面参数比较多。其中addr一般指定为NULL,prot则用于设置映射区域的权限,比如是否可读可写;flags则用于指定是共享映射还是私有映射;而fd,offset,length这三个参数表示将fd对应的文件,从offset位置起,将长度为length的内容映射到进程的地址空间。

需要注意mmap的操作单元是页,即最后映射的offset参数必须是内存页大小的整数倍,而Linux系统内存页大小一般为4096字节。

一个我在程序中的调用示例:

#define AXI_GPIO_BASEADDR 0x43C00000  
int memfd = open("/dev/mem", O_RDWR
| O_SYNC);
if (-1 == memfd) {
printf("Can't open /dev/mem\n");
return -1;
}
unsigned int* led_gpio =
(unsigned int*)(mmap(
NULL, MMAP_SIZE,
PROT_READ | PROT_WRITE,
MAP_SHARED, memfd,
AXI_GPIO_BASEADDR));

调用mmap后,我们拿到一个指针,通过这个指针对指向的地址做任何操作,对应的寄存器物理地址也会有相同的效果。于是我们将它循环赋值0101,相应的寄存器控制的GPIO口输出电信号,于是板卡上的灯成功的闪烁起来,类似奥特曼体力不支时的能量灯。

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多说两句,除了用来操作GPIO/字符设备外,mmap还有个常用的场景是操作块设备。它和传统的用read,write的区别,最关键的是省一次拷贝。

比如要读取磁盘上某个文件的数据,用read write的话,由于会涉及到系统调用,进程是无法直接访问内核的,所以在read系统调用返回前,内核需要将数据从内核复制到进程指定的buffer里。

但如果用mmap的话,那么这段数据会首先拷贝到内存中作为页缓存(即page cache)。用mmap将这段内存映射到用户空间,则进程可以通过指针直接读写page cache,不再需要多余的系统调用和内存拷贝。

不过虽然少了一次拷贝,但mmap会触发缺页中断(page fault),相比于内存拷贝而言,缺页中断的开销更大。所以性能而言mmap大部分情况下并不会比read/write要好。

说到页缓存,我在上家公司开发项目的时候,还被脏页延迟这玩意坑过。篇幅所限,页缓存涉及到的缺页中断,脏页,延迟写回,sync强制写回等内容,我们下次再详细聊聊。

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好了,于是我们学会用mmap点亮一个灯了。想象一下接下来的场景:

你跟公司研发部最漂亮的女同事说,

“hi,领导那边给了我们组一个新任务,你写个驱动控制一下LED吧?”

“啊?驱动这么难,我不会啦”

“哦没事,那你用mmap吧”

“诶你怎么骂人呢!”

责任编辑:庞桂玉 来源: 良许Linux
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