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Linux 内核学习 3b - 和copilot 讨论pci设备的物理地址在内核空间和用户空间映射到虚拟地址的区别

news 来源：原创 2025/5/18 10:20:35

前提知识：可以把内核当作一个需要特殊权限运行的程序，那么不同的程序，相同的设备物理地址就会映射到不同的虚拟地址（见Linux 内核学习 3 - 虚拟内存和物理内存）。

You said

同一个pcie 设备物理地址在linux 内核和用户程序里面对应的虚拟地址是一样的吗

Copilot said

在Linux系统中，同一个PCIe设备在内核和用户程序中的虚拟地址通常是不同的。

在内核空间，内核使用自己的地址空间进行内存管理，而用户空间的程序使用的是不同的地址空间。即使设备在物理上是同一个，内核和用户程序对其访问使用的虚拟地址也会不同。内核通过内存映射（memory mapping）将设备的物理地址映射到内核的虚拟地址空间中，而用户程序通过系统调用（如 mmap）将设备的物理地址映射到自己的虚拟地址空间中。

这种地址分离的机制是为了保护内存安全，防止用户程序直接访问内核空间，确保系统的稳定性和安全性。需要注意的是，这样的设计也意味着在内核编程和用户态编程中对设备地址的处理会有所不同。

如果你对某个具体场景有疑问或需要进一步的说明，请告诉我！

You said

内核程序和用户程序分别如何把pci 设备的物理地址转到虚拟地址

Copilot said

在Linux系统中，内核程序和用户程序将PCI设备的物理地址转换为虚拟地址的方法有所不同。

内核程序

在内核空间，内核程序使用内存映射机制将PCI设备的物理地址映射到内核虚拟地址空间。这通常通过以下步骤完成：

PCIe设备枚举：内核通过PCI子系统枚举所有连接的PCIe设备，并读取其配置空间，获取设备的物理地址。
内核内存映射：使用 ioremap 函数将设备的物理地址映射到内核的虚拟地址空间。ioremap 函数的语法如下：

void __iomem *ioremap(resource_size_t phys_addr, unsigned long size);

phys_addr 是设备的物理地址，size 是映射的内存大小。

用户程序

在用户空间，用户程序需要通过系统调用将PCI设备的物理地址映射到其虚拟地址空间。通常使用 mmap 系统调用来实现：

打开设备文件：用户程序首先需要打开与PCI设备对应的设备文件，通常位于 /dev 目录下。例如：

int fd = open("/dev/my_pci_device", O_RDWR | O_SYNC);

内存映射：使用 mmap 函数将设备的物理地址映射到用户进程的虚拟地址空间。mmap 函数的语法如下：

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

fd 是设备文件描述符，offset 是从设备的物理地址开始的偏移量，length 是映射的内存大小。

示例代码

以下是一个用户程序使用 mmap 进行内存映射的简单示例：

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <fcntl.h>

#include <sys/mman.h>

#include <unistd.h>

int main() {

int fd;

void *map_base;

off_t target = 0xXXXXXXXX; // PCI设备的物理地址

size_t length = 4096; // 映射的内存大小

// 打开设备文件

fd = open("/dev/my_pci_device", O_RDWR | O_SYNC);

if (fd == -1) {

perror("open");

exit(EXIT_FAILURE);

}

// 内存映射

map_base = mmap(0, length, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, target);

if (map_base == MAP_FAILED) {

perror("mmap");

close(fd);

exit(EXIT_FAILURE);

}

printf("Memory mapped at address %p\n", map_base);

// 访问映射的内存

// *(volatile unsigned int *)(map_base + offset) = value;

// 取消映射和关闭文件

munmap(map_base, length);

close(fd);

return 0;

}

希望这些信息和示例代码对你有所帮助！如果你有更多问题或需要进一步的说明，请告诉我！

You said

mmap() 调用内核里面的什么函数？是不是也是ioremap()

Copilot said

在Linux中，用户空间的 mmap() 系统调用并不是直接调用内核的 ioremap() 函数。它们虽然在功能上都有将物理地址映射到虚拟地址空间的作用，但其机制和层次有所不同。

mmap() 的调用流程

当用户程序调用 mmap() 时，内核会进行一系列的处理步骤来完成内存映射。具体来说， mmap() 调用的流程如下：

系统调用入口：用户程序调用 mmap() 系统调用，控制权转移到内核。
内核处理：内核根据映射的参数（如文件描述符、偏移量等），通过文件操作结构 file_operations 的 mmap 成员函数来处理请求。如果映射的是设备文件，则设备驱动程序需要实现这个 mmap 函数。
驱动程序处理：设备驱动程序实现的 mmap 函数会调用特定的内核函数来进行物理地址到虚拟地址的映射。

ioremap() 的作用

ioremap() 是一个内核函数，主要用于将I/O设备的物理地址映射到内核虚拟地址空间中，通常在内核模块或驱动程序中使用，而不是直接在用户空间中调用。

总结

虽然 mmap() 和 ioremap() 都涉及到内存映射，但它们作用于不同的层次和场景。mmap() 是用户空间和内核空间之间的接口，而 ioremap() 是内核内部的内存映射工具。

希望这能帮助你更好地理解这两个函数的区别！如果你还有其他问题，随时告诉我。

You said

file_operations 的 mmap 成员函数一般怎么实现

Copilot said

在Linux内核中，实现 file_operations 结构体的 mmap 成员函数需要根据设备的具体特性来映射内存。这通常涉及到将设备的物理内存映射到用户空间，使得用户程序可以直接访问设备的内存。

以下是一个简化的示例，展示了如何在设备驱动程序中实现 mmap 成员函数：

1. 定义 file_operations 结构体

static const struct file_operations my_device_fops = {

.owner = THIS_MODULE,

.open = my_device_open,

.release = my_device_release,

.mmap = my_device_mmap, // mmap 成员函数

// 其他成员函数...

};

2. 实现 mmap 成员函数

#include <linux/fs.h>

#include <linux/mm.h>

#include <linux/slab.h>

#include <linux/io.h>

static int my_device_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma)

{

unsigned long phys_addr;

unsigned long vma_size = vma->vm_end - vma->vm_start;

unsigned long pfn;

// 获取设备的物理地址（根据具体设备情况获取）

phys_addr = get_device_phys_addr();

// 检查映射大小是否合适

if (vma_size > DEVICE_SIZE) {

return -EINVAL;

}

// 将物理地址转换为页帧号（Page Frame Number, PFN）

pfn = phys_addr >> PAGE_SHIFT;

// 将物理内存映射到用户空间

if (remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, pfn, vma_size, vma->vm_page_prot)) {

return -EAGAIN;

}

return 0;

}

3. 获取设备的物理地址

get_device_phys_addr() 函数是一个假设函数，实际实现中你需要根据具体设备获取其物理地址。例如，对于PCI设备，可以使用 pci_resource_start() 函数获取。

4. 注册设备

在驱动程序的初始化函数中注册设备，并将 file_operations 结构体关联到设备上：

static int __init my_device_init(void)

{

int result;

// 注册字符设备

result = register_chrdev(MY_DEVICE_MAJOR, "my_device", &my_device_fops);

if (result < 0) {

printk(KERN_WARNING "Can't register device\n");

return result;

}

return 0;

}

static void __exit my_device_exit(void)

{

// 注销字符设备

unregister_chrdev(MY_DEVICE_MAJOR, "my_device");

}

module_init(my_device_init);

module_exit(my_device_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

解释

file_operations 结构体：定义了驱动程序对各种文件操作的实现，包括 mmap。
mmap 成员函数：负责将设备的物理内存映射到用户空间。这是通过 remap_pfn_range() 函数实现的，它将物理页帧号（PFN）映射到用户虚拟地址。
物理地址获取：具体的物理地址获取方式依赖于设备类型。对于PCI设备，常用 pci_resource_start() 等函数。

希望这个示例能够帮助你理解如何实现 file_operations 结构体的 mmap 成员函数。如果你有更具体的问题或需要进一步的解释，随时告诉我！

You said

ioremap() 底层原理

Copilot said

ioremap() 是Linux内核中的一个关键函数，用于将I/O设备的物理地址空间映射到内核的虚拟地址空间。它主要用于内核模块或驱动程序中，以便访问设备的寄存器和内存。下面是 ioremap() 的底层原理和实现机制：

1. 地址空间转换

ioremap() 函数的核心任务是将设备的物理地址转换为内核的虚拟地址，这样内核就可以使用普通的指针来访问设备的寄存器和内存。这个转换通过页表（Page Table）实现，页表是操作系统内存管理单元（MMU）的关键组件。

2. 内存映射

ioremap() 会将指定的物理地址范围映射到内核的虚拟地址空间中，并且标记这些内存区域为非缓存（uncached）或强制同步（write-through），以确保对I/O设备的访问是直接且一致的。

3. 实现细节

ioremap() 的实现涉及多个内核函数和数据结构，以下是一个简化的示例：

源码片段（简化版）

void __iomem *ioremap(resource_size_t phys_addr, unsigned long size)

{

// 检查参数和地址范围

if (!phys_addr || !size || phys_addr + size < phys_addr) {

return NULL;

}

// 创建和初始化虚拟内存区域（vma）

struct vm_struct *area;

area = get_vm_area(size, VM_IOREMAP);

if (!area) {

return NULL;

}

// 设置物理地址到虚拟地址的映射

if (ioremap_page_range(area->addr, area->addr + size, phys_addr, PAGE_KERNEL_IO)) {

vunmap(area->addr);

return NULL;

}

return (void __iomem *)area->addr;

}

参数检查：首先检查传入的物理地址和大小是否合法。
创建虚拟内存区域：使用 get_vm_area() 函数为映射创建一个新的虚拟内存区域。
设置页表映射：使用 ioremap_page_range() 函数设置物理地址到虚拟地址的映射，并将其标记为 I/O 区域。

4. 页表设置

ioremap_page_range() 是设置页表映射的关键函数，它将物理地址映射到内核虚拟地址，并设置页表条目（PTE）为非缓存和 I/O 区域：

int ioremap_page_range(unsigned long addr, unsigned long end, phys_addr_t phys_addr, pgprot_t prot)

{

// 设置页表条目

return map_vm_area(addr, end, phys_addr, prot);

}

总结

ioremap() 函数通过创建虚拟内存区域并设置页表映射，将I/O设备的物理地址映射到内核的虚拟地址空间中，使得内核可以方便地访问设备的寄存器和内存。这个过程涉及到参数检查、虚拟内存区域创建、页表设置等步骤。

希望这些信息对你理解 ioremap() 的底层原理有所帮助！如果你有更多问题或需要进一步的解释，随时告诉我！

You said

ioremap_page_range() 和remap_pfn_range()有什么不同？既然都是物理地址转换虚拟地址，是不是可以互相替代

Copilot said

ioremap_page_range() 和 remap_pfn_range() 都是用于在内核中进行内存映射的函数，但它们的用途和使用场景有所不同。

ioremap_page_range()

用途：主要用于内核开发中，将物理地址范围映射到内核虚拟地址空间。
使用场景：通常用于将设备的物理内存映射到内核空间，以便内核能够直接访问设备的寄存器和内存。它通常在 ioremap() 函数内部调用。
调用位置：一般在内核模块或驱动程序中使用，用于设置页表条目，将物理地址映射到内核虚拟地址。
示例代码：

int ioremap_page_range(unsigned long addr, unsigned long end, phys_addr_t phys_addr, pgprot_t prot) {

// 设置页表条目

return map_vm_area(addr, end, phys_addr, prot);

}

remap_pfn_range()

用途：用于将物理页帧号（PFN）映射到用户空间的虚拟地址。
使用场景：主要在实现设备驱动程序的 mmap 操作时使用，将设备的物理内存映射到用户空间，使得用户进程能够直接访问设备内存。
调用位置：通常在设备驱动程序中实现 file_operations 的 mmap 成员函数时调用。
示例代码：

int remap_pfn_range(struct vm_area_struct *vma, unsigned long addr, unsigned long pfn, unsigned long size, pgprot_t prot) {

// 将物理页帧号映射到用户空间

return io_remap_pfn_range(vma, addr, pfn, size, prot);

}

关键区别

调用层次：ioremap_page_range() 主要在内核空间中使用，而 remap_pfn_range() 则用于从内核空间映射到用户空间。
使用场景：ioremap_page_range() 常用于内核内部的设备内存映射，而 remap_pfn_range() 用于用户空间的设备内存映射。
功能细节：remap_pfn_range() 更侧重于将物理页帧号（PFN）映射到用户空间的虚拟地址，而 ioremap_page_range() 则用于内核空间的地址映射。

总结来说，虽然它们都涉及物理地址到虚拟地址的转换，但由于应用场景和调用层次的不同，它们并不能直接互相替代。如果你有具体的使用场景或问题需要解决，可以告诉我，我可以提供更针对性的建议！

总结：可能用户空间的应用程序和内核程序对于MMU过程不一样，导致需要调用不同的函数去做这个映射。

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