内存映射（Linux设备驱动程序）

/proc/self始终指向当前进程。
每行都是用以下的形式表示的：
start-end perm offset major:minor inode image
start-end: 该内存区域的起始处和结束处的虚拟地址。
perm： 内存区域的读、写和运行权限的位掩码。描写叙述什么样的进程能訪问。
offset: 表示内存区域在映射文件里的起始位置。
major minor: 拥有映射文件的设备的主设备号和次设备号。

对于设备映射来说，主设备号和次设备号指的是包括设备特殊文件的磁盘分区。该文件由用户而非设备自身打开。
inode: 被映射的文件的索引节点号。
image: 被映射文件的名称(一般是一个可运行映像)。


vm_area_struct结构
当用户空间进程调用mmap，将设备内存映射到它的地址空间时。系统通过创建一个表示该映射的新VMA作为响应。
支持mmap的驱动程序须要帮助进程完毕VMA的初始化。

内核维护了VMA的链表和树型结构，而vm_area_struct中的很多成员都是用来维护这个机构的。
因此驱动程序不能随意创建VMA。或者打破这样的组织结构。

VMA的主要成员：
unsigned long vm_start;
unsigned long vm_end;
struct file *vm_file;
unsigned long vm_pgoff;
unsigned long vm_flags;
struct vm_operations_struct *vm_ops;
void *vm_private_data;


vm_operations_struct结构：
这些操作仅仅是用来处理进程的内存需求。
void (*open)(struct vm_area_struct *vma);
void (*close)(struct vm_area_struct *vma);
/*
当一个进程要訪问属于合法VMA的页，但该页又不在内存中，则为相关区域调用nopage函数。在将物理页从辅助存储器中读入后，该函数返回指向物理页的page结构指针。假设该区域未定义nopage函数。则内核将为其分配一个空页。

*/
struct page *(*nopage)(struct vm_area_struct *vma, unsigned long address, int *type);
/*在用户空间訪问页前。该函数同意内核将这些页预先装入内存。

*/
int (*populate)(struct vm_area_struct *vm, unsigned long address, unsigned long len, pgprot_t prot, unsigned long pgoff, int nonblock);


内存映射处理
在系统中的每一个进程（除了内核空间的一些辅助线程外）都拥有一个struct mm_struct结构（在<linux/sched.h>中定义），当中包括了虚拟内存区域链表、页表以及其它大量内存管理信息，还包括一个信号灯（mmap_sem）和一个自旋锁（page_table_lock）。

在task结构中能找到该结构的指针。

当驱动程序须要訪问它时。经常使用的办法是使用current->mm。
多个进程能够共享内存管理结构，Linux就是用这样的方法实现线程的。


mmap设备操作
在现代Unix系统中，内存映射是最吸引人的特征。
对于驱动程序来说，内存映射能够提供给用户程序直接訪问设备内存的能力。
映射一个设备意味着将用户空间的一段内存与设备内存关联起来。当程序在分配的地址范围内读写时，实际上訪问的就是设备。

但不是全部的设备都能进行mmap抽象的，比方像串口和其它面向流的设备就不能。
mmap的还有一个限制是必须以PAGE_SIZE为单位进行映射。
内核仅仅能在页表一级上对虚拟地址进行管理。因此那些被映射的区域必须是PAGE_SIZE的整数倍。而且在物理内存中的起始地址也要求是PAGE_SIZE的整数倍。

大多数PCI外围设备将它们的控制寄存器映射到内存地址中。

mmap方法是file_operations结构的一部分，而且运行mmap系统调用时将调用该方法。
系统调用有着下面声明：
mmap(caddr_t addr, size_t len, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
文件操作声明：
int (*mmap)(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma);


为了运行mmap。驱动程序须要为该地址范围建立合适的页表，并将vma->vm_ops替换为一系列的新操作。

有两种建立页表的方法：使用remap_pfn_range函数一次所有建立。或者通过nopage VMA方法每次建立一个页表。


使用remap_pfn_range
remap_pfn_range和io_remap_page_range负责为一段物理地址建立新的页表。
原型：
/*pfn指向实际系统RAM的时候使用*/
int remap_pfn_range(struct vm_area_struct *vma, unsigned long virt_addr, unsigned long pfn, unsigned long size, pgprot_t prot);
/*phys_addr指向I/O内存时使用*/
int io_remap_page_range(struct vm_area_struct *vma, unsigned long virt_addr, unsigned long phys_addr, unsigned long size, pgprot_t prot);


使用nopage映射内存（返回page结构指针）
当应用程序要改变一个映射区域所绑定的地址时。会使用mremap系统调用。此时是使用nopage映射的最好的时机。

假设VMA的尺寸变小了，内核将会刷新不必要的页，而不通知驱动程序。
假设VMA的尺寸变大了，当调用nopage时为新页进行设置时，驱动程序终于会发现。
假设要支持mremap系统调用。就必须实现nopage函数。

nopage函数原型：
struct page* (*nopage)(struct vm_area_struct *vma, unsigned long address, int *type);
当用户要訪问VMA中的页，而该页又不在内存中时，将调用相关的nopage函数。
address參数包括了引起错误的虚拟地址。

nopage函数必须定位并返回指向用户所须要页的page结构指针。

该函数还调用get_page宏用来添加返回的内存页的使用计数。