dev_mem的mmap分析

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当用户空间需要实现驱动程序时, 需要操作底层的寄存器. 使用/dev/mem映射io内存空间就是一种常用的方式. /dev/mem 一般都是使用其 mmap 函数. 将底层的寄存器映射到用户空间地址. 下面对 /dev/mem的mmap函数进行一下简单的分析.
/dev/mem设备文件是由drivers/char/mem.c驱动创建. 该设备文件的file_operations为

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static const struct file_operations __maybe_unused mem_fops = {
	.llseek		= memory_lseek,
	.read		= read_mem,
	.write		= write_mem,
	.mmap		= mmap_mem,
	.open		= open_mem,
#ifndef CONFIG_MMU
	.get_unmapped_area = get_unmapped_area_mem,
	.mmap_capabilities = memory_mmap_capabilities,
#endif
};

mmap_mem定义为:

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static int mmap_mem(struct file *file, struct vm_area_struct *vma)
{
	size_t size = vma->vm_end - vma->vm_start;

	if (!valid_mmap_phys_addr_range(vma->vm_pgoff, size))
		return -EINVAL;

	if (!private_mapping_ok(vma))
		return -ENOSYS;

	if (!range_is_allowed(vma->vm_pgoff, size))
		return -EPERM;

	if (!phys_mem_access_prot_allowed(file, vma->vm_pgoff, size,
						&vma->vm_page_prot))
		return -EINVAL;

	vma->vm_page_prot = phys_mem_access_prot(file, vma->vm_pgoff,
						 size,
						 vma->vm_page_prot);

	vma->vm_ops = &mmap_mem_ops;

	/* Remap-pfn-range will mark the range VM_IO */
	if (remap_pfn_range(vma,
			    vma->vm_start,
			    vma->vm_pgoff,
			    size,
			    vma->vm_page_prot)) {
		return -EAGAIN;
	}
	return 0;
}

valid_mmap_phys_addr_range函数始终返回1.
private_mapping_ok函数在由MMU的情况下始终返回1.
range_is_allowed函数不配置CONFIG_STRICT_DEVMEM时始终返回1, 在配置CONFIG_STRICT_DEVMEM时, 齐定义如下:

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static inline int range_is_allowed(unsigned long pfn, unsigned long size)
{
	u64 from = ((u64)pfn) << PAGE_SHIFT;
	u64 to = from + size;
	u64 cursor = from;

	while (cursor < to) {
		if (!devmem_is_allowed(pfn))
			return 0;
		cursor += PAGE_SIZE;
		pfn++;
	}
	return 1;
}

在这个函数中, 会对需要映射的地址段进行检查, 在x86平台上, devmem_is_allowed定义为:

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int devmem_is_allowed(unsigned long pagenr)
{
	if (pagenr < 256)
		return 1;
	if (iomem_is_exclusive(pagenr << PAGE_SHIFT))
		return 0;
	if (!page_is_ram(pagenr))
		return 1;
	return 0;
}

在arm平台上, dev_mem_allowed定义为:

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int devmem_is_allowed(unsigned long pfn)
{
	if (iomem_is_exclusive(pfn << PAGE_SHIFT))
		return 0;
	if (!page_is_ram(pfn))
		return 1;
	return 0;j
}

在x86上, 前1M空间是预留给BIOS和一些其他X等应用使用的空间, 这段空间是允许映射的.
iomem_is_exclusive定义为:

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/*
 * check if an address is reserved in the iomem resource tree
 * returns 1 if reserved, 0 if not reserved.
 */
int iomem_is_exclusive(u64 addr)
{
	struct resource *p = &iomem_resource;
	int err = 0;
	loff_t l;
	int size = PAGE_SIZE;

	if (!strict_iomem_checks)
		return 0;

	addr = addr & PAGE_MASK;

	read_lock(&resource_lock);
	for (p = p->child; p ; p = r_next(NULL, p, &l)) {
		/*
		 * We can probably skip the resources without
		 * IORESOURCE_IO attribute?
		 */
		if (p->start >= addr + size)
			break;
		if (p->end < addr)
			continue;
		/*
		 * A resource is exclusive if IORESOURCE_EXCLUSIVE is set
		 * or CONFIG_IO_STRICT_DEVMEM is enabled and the
		 * resource is busy.
		 */
		if ((p->flags & IORESOURCE_BUSY) == 0)
			continue;
		if (IS_ENABLED(CONFIG_IO_STRICT_DEVMEM)
				|| p->flags & IORESOURCE_EXCLUSIVE) {
			err = 1;
			break;
		}
	}
	read_unlock(&resource_lock);

	return err;
}

如果这段地址对应的resource标记为IORESOURCE_BUSY, 那么将映射失败.
如果这段地址在ram中, 同样不允许映射.
可以看出在不配置CONFIG_STRICT_DEVMEM时, /dev/mem的限制是最小的.
phys_mem_access_prot_allowed函数返回1
检查各种限制条件通过后, 接着调用phys_mem_access_prot(file, vma->vm_pgoff, size, vma->vm_page_prot);来改变被映射的内存区的的页面属性.
对于arm64, 定义如下:

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pgprot_t phys_mem_access_prot(struct file *file, unsigned long pfn,
			      unsigned long size, pgprot_t vma_prot)
{
	if (!pfn_valid(pfn))
		return pgprot_noncached(vma_prot);
	else if (file->f_flags & O_SYNC)
		return pgprot_writecombine(vma_prot);
	return vma_prot;
}
EXPORT_SYMBOL(phys_mem_access_prot);

对于非内存空间, 使用nocached, 对于内存空间如果file打开了O_SYNC标志就使用write_combine.
最后调用remap_pfn_range来分配页表, 讲用户空间的一段线性地址空间指向映射的区域.
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