3. mmap系统调用原理

mmap() 是 Linux 驱动与用户空间交互的核心系统调用，它允许用户程序将设备内存或文件直接映射到进程的虚拟地址空间。理解其原型、映射类型和标志是进行驱动开发和性能调优的基础。

3.1 mmap() 函数原型

mmap() 的函数原型定义在 <sys/mman.h> 头文件中，其标准签名如下：

#include <sys/mman.h>

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

参数说明：

3.2 映射类型：文件映射与匿名映射

根据映射的后端存储来源，mmap() 主要分为两种类型：

3.2.1 文件映射

将磁盘文件或设备文件（如 /dev/mem、/dev/fb0）的一部分映射到进程地址空间。对映射区域的读写操作会直接反映到文件中（取决于 flags）。

3.2.2 匿名映射

不关联任何文件，由内核分配一块物理内存并映射到进程地址空间。通常用于进程间通信（共享内存）或分配大块内存。标志 MAP_ANONYMOUS 用于指定匿名映射，此时 fd 参数被忽略。

3.3 映射标志：MAP_SHARED 与 MAP_PRIVATE

flags 参数中的 MAP_SHARED 和 MAP_PRIVATE 决定了映射的可见性和写时复制行为，这是驱动开发中必须理解的核心概念。

3.4 内存保护标志 (prot)

prot 参数指定映射区域的内存保护权限，可以组合使用：

• PROT_READ：页面可读。
• PROT_WRITE：页面可写。
• PROT_EXEC：页面可执行。
• PROT_NONE：页面不可访问。

3.5 mmap 映射流程示意图

以下 SVG 展示了从用户态调用 mmap() 到内核完成映射的完整流程：

3.6 驱动开发中的 mmap 实现要点

在 Linux 驱动中实现 mmap 操作时，通常需要完成以下步骤：

1. 实现 file_operations 中的 mmap 回调：int (*mmap)(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma);
2. 设置 vma 操作：为 vma->vm_ops 提供 open、close、fault 等回调。
3. 建立物理地址到虚拟地址的映射：使用 remap_pfn_range() 或 io_remap_pfn_range() 函数。
4. 设置 vma 标志：根据设备特性设置 VM_SHARED、VM_IO、VM_PFNMAP 等标志。

// 驱动 mmap 回调示例
static int my_device_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma)
{
    unsigned long pfn = my_device_get_phys_addr(filp);

    // 设置映射标志：IO 内存、不可换出
    vma->vm_flags |= VM_IO | VM_PFNMAP | VM_SHARED;

    // 建立物理页帧到用户虚拟地址的映射
    if (remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, pfn,
                        vma->vm_end - vma->vm_start,
                        vma->vm_page_prot)) {
        return -EAGAIN;
    }

    return 0;
}