Linux中关于MMAPandDMA的知识总结

谁践踏了优雅 2024-03-16 09:37 6阅读 0赞

**3****项技术：**  
**1,mmap****系统调用可以实现将设备内存映射到用户进程的地址空间。**

**2,****使用get\_user\_pages,可以把用户空间内存映射到内核中。**

**3,DMA****的I/O操作，使得外设具有直接访问系统内存的能力。**

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**内存管理**

**内核用来管理内存的数据结构**

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**地址内型**

**Linux****是一个虚拟内存系统，即用户程序使用的地址与硬件使用的物理地址是不等同的。**

**虚拟内存引入了一个间接层，使得许多操作成为可能：**  
**\*****有了虚拟内存，系统中运行的程序可以分配比物理内存更多的内存。**  
**\*****虚拟地址还能让程序在进程的地址空间内使用更多的技巧，包括将程序的内存映射到设备内存上。**

**地址内型列表**  
**\*****用户虚拟地址 每个进程都有自己的虚拟地址空间。**  
**\*****物理地址 处理器访问系统内存时使用的地址。**  
**\*****总线地址 在外围总线和内存之间使用。MMU可以实现总线和主内存之间的重新映射。**  
**当设置DMA操作时，编写MMU相关的代码是一个必需的步骤。**  
**\*****内核逻辑地址**  
**内核逻辑地址组成了内核的常规地址空间，该地址映射了部分（或全部）内存，**  
**并经常被视为物理地址。在大多数体系架构中，逻辑地址与其相关联的物理地址**  
**的不同，仅仅在于它们之间存在一个固定的偏移量。kmalloc返回的内存就是**  
**内核逻辑地址。**  
**\*****内核虚拟地址**  
**内核虚拟地址与逻辑地址相同之处在于，都将内核空间的地址映射到物理地址上。**  
**不同之处在于，内核虚拟地址与物理地址的映射不是线性的和一对一的。**  
 **vmalloc****返回一个虚拟地址，kmap函数也返回一个虚拟地址。**

**------------------**  
**物理地址和页**

**物理地址被分为离散的单元，称之为页。**

**系统内部许多对内存的操作都是基于单个页的。**

**大多数系统都使用每页4096个字节，PAGE\_SIZE <asm/page.h>给出指定体系架构下的页大小。**

**观察内存地址，无论是虚拟的还是物理的，它们都被分为页号和一个页内的偏移量。**  
**如果每页4096个字节，那么最后的12位就是偏移量，剩余的高位则指定页号。**

**页帧数：将除去偏移量的剩余位移到右端，称该结果为页帧数。**

**-------------------**  
**高端与低端内存**

**内核(在x86架构中)将4GB的虚拟地址空间分割为用户空间和内核空间。**  
**一个典型的分割是将3GB分配给用户空间，1GB分配给内核空间。**

**占用内核地址空间最大的部分是物理内存的虚拟映射，**  
**内核无法直接操作没有映射到内核地址空间的内存。**

**低端内存：**  
**只有内存的低端部分拥有逻辑地址。内核的数据结构必须放置在低端内存中。**  
**高端内存：**  
**除去低端内存的剩余部分没有逻辑地址。它们处于内核虚拟地址之上。**

**--------------------**  
**内存映射和页结构**

**内核使用逻辑地址来引用物理内存中的页。**

**为解决在高端内存中无法使用逻辑地址的问题，内核中处理内存的函数趋向于使用**  
**指向page结构的指针<linux/mm.h>。**

**page****结构用来保存内核需要知道的所有物理内存信息，对系统中的每个物理页，**  
**都有一个page结构相对应。**

**-----**  
**page****结构的几个成员：**

**atomic\_t count;** **对该页的访问计数。**  
**void \*virtual;** **如果页面被映射，则指向页的内核虚拟地址；**  
**如果未被映射，则为NULL。**  
**低端内存页总是被映射，而高端内存页通常不被映射。**  
**unsigned long flags;** **描述页状态的一系列标志。**  
 **PG\_locked****表示内存中的页已经被锁住，**  
**而PG\_reserved表示禁止内存管理系统访问该页。**  
**-----**  
**内核维护了一个或者多个page结构的数组，用来跟踪系统中的物理内存。**  
**-----**  
**有一些函数和宏用来在page结构指针与虚拟地址之间进行转换：**

**struct page \*virt\_to\_page(void \*kaddr); <asm/page.h>**  
**将内核逻辑地址转换为响应的page结构指针。**  
**struct page \*pfn\_to\_page(int pfn);**  
**针对给定的页帧号，返回page结构指针。**  
**void \*page\_address(struct page \*page); <linux/mm.h>**  
**如果地址存在的话，则返回页的内核虚拟地址。**  
**void \*kmap(struct page \*page); <linux/highmem.h>**  
**为系统中的页返回内核虚拟地址。**  
**对于低端内存页，它只返回页的逻辑地址；**  
**对于高端内存页，kmap在专用的内核地址空间创建特殊的映射。**  
**void kunmap(struct page \*page);**  
**释放由kmap创建的映射。**  
**void \*kmap\_atomic(struct page \*page,enum km\_type type);  
void kunmap\_atomic(void \*addr,enum km\_type type);  
<linux/highmem.h>,<asm/kmap\_types.h>**  
**是kmap的高性能版本。**

**-------**  
**页表**

**在任何现代的系统中，处理器必须使用某种机制，将虚拟地址转化为响应的物理地址，**  
**这种机制成为页表。**

**-------**  
**虚拟内存区**

**虚拟内存区(VMA)用于管理进程地址空间中不同区域的内核数据结构。**

**可以将其描述为“拥有自身属性的内存对象”。**

**进程的内存映射包含下面这些区域：**  
**\*****可执行代码区域**  
**\*****多个数据区：初始化数据，非初始化数据(BSS),程序堆栈。**  
**\*****与每个活动的内存映射对应的区域**

**\#cat /proc/1/maps**  
**可以了解进程的内存区域。**  
**/**