Linux内核remap_pfn_range用法详解

Linux内核接口remap_pfn_range的用法及示例

Linux内核中的remap_pfn_range函数用于将物理内存映射到用户空间，常用于驱动程序的mmap实现。以下是其用法及示例的详细说明：

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函数原型

int remap_pfn_range(
    struct vm_area_struct *vma,  // 用户空间的虚拟内存区域描述
    unsigned long addr,          // 映射的起始虚拟地址（通常为vma->vm_start）
    unsigned long pfn,           // 物理页帧号（Physical Frame Number）
    unsigned long size,          // 映射区域的大小
    pgprot_t prot                // 保护标志（如读写权限）
);

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核心步骤

1. 实现驱动的mmap方法
   在字符设备驱动的file_operations结构中定义mmap回调函数。

2. 计算物理页帧号（PFN）
   将物理地址转换为PFN：pfn = (phys_addr >> PAGE_SHIFT)。

3. 调整内存保护标志
   根据硬件需求设置prot，如禁用缓存（pgprot_noncached）。

4. 调用remap_pfn_range
   建立用户空间虚拟地址到物理内存的映射。

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示例代码

#include <linux/fs.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/module.h>

#define DEVICE_SIZE (4 * 1024)  // 设备内存大小（4KB）

static phys_addr_t my_dev_phys_addr;  // 设备物理地址
static void *my_dev_virt_addr;        // 设备虚拟地址（内核空间）

// mmap实现
static int my_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma) {
    unsigned long offset = vma->vm_pgoff << PAGE_SHIFT;  // 字节偏移量
    unsigned long size = vma->vm_end - vma->vm_start;

    // 检查偏移量是否越界
    if (offset + size > DEVICE_SIZE) {
        return -EINVAL;
    }

    // 计算PFN
    unsigned long pfn = (my_dev_phys_addr + offset) >> PAGE_SHIFT;

    // 调整保护标志（禁用缓存）
    vma->vm_page_prot = pgprot_noncached(vma->vm_page_prot);

    // 建立映射
    if (remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, pfn, size, vma->vm_page_prot)) {
        return -EAGAIN;
    }

    return 0;
}

// 文件操作结构体
static struct file_operations my_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .mmap = my_mmap,
    // 其他操作（如open/release等）
};

// 模块初始化
static int __init my_init(void) {
    // 分配物理连续内存（示例使用dma_alloc_coherent）
    my_dev_virt_addr = dma_alloc_coherent(NULL, DEVICE_SIZE, &my_dev_phys_addr, GFP_KERNEL);
    if (!my_dev_virt_addr) {
        return -ENOMEM;
    }

    // 注册字符设备（具体步骤略）
    // ...
    return 0;
}

// 模块退出
static void __exit my_exit(void) {
    dma_free_coherent(NULL, DEVICE_SIZE, my_dev_virt_addr, my_dev_phys_addr);
    // 注销设备
    // ...
}

module_init(my_init);
module_exit(my_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

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关键说明

1. 物理地址获取

   • 示例中使用dma_alloc_coherent分配物理连续内存，适用于DMA操作。
   • 实际硬件驱动可能通过设备树或PCI BAR获取物理地址。

2. 偏移量处理
   用户空间的offset参数对应vma->vm_pgoff（页帧偏移），需转换为字节偏移量后再计算PFN。

3. 保护标志调整

   • 使用pgprot_noncached禁用缓存，确保直接访问硬件内存。
   • 写合并（pgprot_writecombine）可优化某些设备的写入性能。

4. 错误处理

   • 检查映射范围是否越界（DEVICE_SIZE）。
   • 若remap_pfn_range失败，返回-EAGAIN或-EFAULT。

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用户空间调用示例

// 用户程序通过mmap访问设备内存
int fd = open("/dev/mydev", O_RDWR);
void *addr = mmap(NULL, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);

// 读写操作
*(uint32_t*)addr = 0x1234;  // 写入设备内存
uint32_t val = *(uint32_t*)addr;  // 读取设备内存

munmap(addr, 4096);
close(fd);

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注意事项

• 对齐要求：addr和size必须是页对齐的（PAGE_SIZE的整数倍）。
• 安全性：仅映射允许用户空间访问的物理内存，避免泄露内核数据。
• 缓存一致性：若设备内存被CPU和外部硬件共享，需正确配置缓存策略。

通过合理使用remap_pfn_range，驱动程序可高效实现用户空间与内核/硬件内存的交互。

上述示例不适用dma的接口

上述示例不使用dma的接口

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不依赖DMA接口的remap_pfn_range示例

以下是使用内核通用接口分配物理连续内存的示例，替代dma_alloc_coherent，适用于不需要DMA的场景：

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修改后的代码

#include <linux/fs.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/gfp.h>

#define DEVICE_ORDER  0  // 分配2^0 = 1页（4KB）
#define DEVICE_SIZE   (PAGE_SIZE * (1 << DEVICE_ORDER))  // 4KB

static struct page *my_dev_page = NULL;  // 分配的物理页
static phys_addr_t my_dev_phys_addr;     // 物理地址
static void *my_dev_virt_addr;           // 内核虚拟地址

// mmap实现
static int my_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma) {
    unsigned long offset = vma->vm_pgoff << PAGE_SHIFT;  // 字节偏移量
    unsigned long size = vma->vm_end - vma->vm_start;

    // 检查映射范围
    if (offset + size > DEVICE_SIZE) {
        return -EINVAL;
    }

    // 计算PFN（物理页帧号 = 物理地址 / PAGE_SIZE）
    unsigned long pfn = (my_dev_phys_addr + offset) >> PAGE_SHIFT;

    // 调整保护标志（示例禁用缓存）
    vma->vm_page_prot = pgprot_noncached(vma->vm_page_prot);

    // 建立映射
    if (remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, pfn, size, vma->vm_page_prot)) {
        return -EAGAIN;
    }

    return 0;
}

// 文件操作结构体
static struct file_operations my_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .mmap = my_mmap,
    // 其他操作（如open/release需自行实现）
};

// 模块初始化
static int __init my_init(void) {
    // 分配物理连续的内存页（1页，4KB）
    my_dev_page = alloc_pages(GFP_KERNEL, DEVICE_ORDER);
    if (!my_dev_page) {
        return -ENOMEM;
    }

    // 获取物理地址和内核虚拟地址
    my_dev_phys_addr = page_to_phys(my_dev_page);  // 物理地址
    my_dev_virt_addr = page_address(my_dev_page);  // 内核虚拟地址

    // 初始化内存（可选）
    memset(my_dev_virt_addr, 0, DEVICE_SIZE);

    // 注册字符设备（需自行实现）
    // ...

    return 0;
}

// 模块退出
static void __exit my_exit(void) {
    if (my_dev_page) {
        __free_pages(my_dev_page, DEVICE_ORDER);  // 释放内存
    }
    // 注销设备
    // ...
}

module_init(my_init);
module_exit(my_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

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关键修改说明

1. 物理内存分配方式

   • 使用alloc_pages代替dma_alloc_coherent，直接分配物理连续的页。
   • DEVICE_ORDER指定分配页数为2^ORDER，此处为ORDER=0（即1页，4KB）。

2. 物理地址获取

   • 通过page_to_phys(my_dev_page)将struct page转换为物理地址。
   • 内核虚拟地址通过page_address(my_dev_page)获取。

3. 内存释放

   • 使用__free_pages释放分配的物理页，需匹配alloc_pages的order参数。

4. 缓存策略

   • 通过pgprot_noncached禁用缓存，确保直接访问物理内存（适用于硬件寄存器或非缓存内存）。

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用户空间调用（不变）

// 用户程序通过mmap访问设备内存
int fd = open("/dev/mydev", O_RDWR);
void *addr = mmap(NULL, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);

// 读写操作
*(uint32_t*)addr = 0x1234;  // 写入设备内存
uint32_t val = *(uint32_t*)addr;  // 读取设备内存

munmap(addr, 4096);
close(fd);

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注意事项

1. 物理连续性保证

   • alloc_pages分配的内存是物理连续的，但若系统内存碎片化，可能分配失败（需处理-ENOMEM）。

2. 页对齐要求

   • remap_pfn_range要求addr和size按页对齐（PAGE_SIZE的整数倍）。

3. 安全性与权限

   • 确保用户空间程序只能访问允许的内存范围（通过offset + size > DEVICE_SIZE检查）。
   • 根据硬件需求设置vm_page_prot（如PROT_READ/PROT_WRITE权限）。

4. 替代接口选择

   • 若需要分配多个非连续物理页，可改用vmalloc（虚拟连续但物理不连续），但需配合vmalloc_to_pfn转换物理地址。

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适用场景

• 硬件寄存器映射：直接访问设备寄存器。
• 自定义共享内存：用户空间与内核共享物理连续缓冲区。
• 性能敏感操作：通过禁用缓存提升访问速度。

通过此方案，开发者无需依赖DMA接口即可实现物理内存到用户空间的映射，适用于大多数非DMA场景。