mmap在嵌入式中的应用

大概雍正皇帝怎么也不会想到，自己在西历2022年的男生和女生眼里，会是截然不同的两种形象。

以我对身边同学朋友的观察，男生们大多爱看《雍正王朝》，他们眼中的雍正，大约是个推行了“火耗归公”、“摊丁入亩”等遏制贪腐，减轻税收之类政策的改革家，是个经历了九子夺嫡的惊心动魄、腹黑深沉的政治家，是个登基后也兢兢业业，熬夜加班996的工作狂。

而女生们大多爱看《甄嬛传》，她们眼里的雍正，是“大胖橘”，是“大猪蹄子”，是被后宫一众妃嫔玩弄于股掌之中，戴了N顶绿帽，最后还被钮钴禄甄嬛气死的渣男。

我没完整的看过甄嬛传，但是有幸在吃饭的时候陪我家那位看过几集。

正所谓后宫佳丽三千人，铁杵磨成绣花针... （不是

妃嫔太多了，皇帝就一个，难免会互相争风吃醋。位份高的贵妃的仗势欺人，一些小妃嫔无法正面回击，自然会用点别的奇淫技巧，扎小人就是其中一个出现频率较高的方法。

据我总结，扎小人这个技术的核心思想是：用户这边由于无法扎到正主，只能拿个自己身边的布片等物品模拟一个小人出来，在上面画上正主的经筋脉络，写上名字，施以某种魔法，然后用针扎自己手边的小人的某个穴道，远程那位正主的对应部位就会受到同样的折磨。

虽然有点神乎其技，令人羡慕而不可得。但是在linux内核开发里面，却可以用mmap的机制实现类似的效果。

mmap的核心思想是：用户这边由于在用户态无法直接操作寄存器的物理地址，于是通过mmap方法进行内存映射，将物理地址映射到用户态的虚拟地址上，然后用户通过读写自己手边的虚拟地址，就可以实现对物理地址的读取/写入。

两者的共同点是，由于无法直接操作目标，所以通过某种方法，将自己能操作的事物和目标建立一种映射关系，从而达到如臂使指，指哪打哪，打哪哪疼的效果。

只要能建立起对目标的映射，我们借此映射能做什么文章，自然有很多想象空间。所以mmap有很多用途，有人用它来实现进程间通信，有人用它搬运数据，对于我们嵌入式工程师来说，我们可以用它来点灯。嘿嘿，想不到吧！

且听我慢慢道来。

作为一个嵌入式工程师，花式点灯是必备技能。无论是写裸机代码操作GPIO口，还是通过物联网云端远程控制LED，从硬件的角度讲，核心原理都是找到连接LED的GPIO口，让它输出一个电信号。而从软件的角度讲，最终目的就是找到这个GPIO口对应寄存器的地址，根据实际的电路要求，让CPU给它写入一个1或者0。

裸机开发的时候，我们可以直接找到物理地址进行操作。而在Linux系统里却略有不同。因为在操作系统里有内核空间的存在，我们写的程序都是运行在用户态的，需要经过内核来对硬件进行驱动，无法直接操作物理地址。

你当然可以选择为这个LED写一个驱动，从而在用户空间通过read，write来操作它的状态。不过有些同学一听要写驱动，就想吟一首蜀道难来表达自己的望而却步。所以没了解过驱动的同学你也可以选择用一种更直接的方式：mmap。

就好像你可以选择给贵妃下药来控制她，不过下药这种方式需要精通药理、掌控时机，成本较高，难度较大。只要能达到目的，有时候扎个小人或许更加经济适用。

我在上家公司的时候用ARM Cortex-A9芯片做过一个项目，开发过程大概是先和硬件同事约定好一个协议，然后我通过GPIO口的输入输出模拟出这个协议，通过它对寄存器进行读写配置，驱动硬件ADC采样，然后将采回来的数据通过DMA传输，最终到应用层进行分析处理。其中驱动GPIO口的部分就用了mmap。

项目很大，做了半年多，想完全讲明白也不现实，不过我们可以从驱动GPIO口这个点切入，体会一下软件驱动硬件中间这玄妙的过程。聪明的你一定可以举一反三。

作为一个软件工程师，拿到板子的时候，硬件工程师一般会给你一份文档，类似这样：

这个文档会指明，如果想操作这个GPIO口的话，你需要用GPIO外设的基地址加上偏移地址找到对应的寄存器地址，再用位操作给指定的bit写入命令。

不过我由于FPGA也会一些，所以我们公司里FPGA的Block Diagram都是我来建的。建好FPGA的硬件工程后做一下综合，从Address Map里就能看到我想用的GPIO口地址了。如图：

无论怎样，你现在拿到这个所谓的硬件寄存器地址了，接下来我们就可以拿小人扎它了。

以上图我拿到的0x43C00000为例，这是寄存器的地址，那我能否直接在应用程序里把0x43C00000赋值给一个指针，然后对它进行读写呢？

在玩裸机的时候确实是这样的。但是上面说了，Linux系统有虚拟内存的存在，就不能这么做了。因为理论上我可以在系统里开100个进程，这100个进程里都有0x43C00000这个地址，那这100个地址哪个是真正的寄存器地址呢？可能都不是。因为进程里的0x43C00000是虚拟的，它真正对应的物理地址在哪里，没人知道。要想把虚拟地址和物理地址对应起来，就得用mmap进行内存映射。

mmap的函数接口定义如下：

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

这里面参数比较多。其中addr一般指定为NULL，prot则用于设置映射区域的权限，比如是否可读可写；flags则用于指定是共享映射还是私有映射；而fd，offset，length这三个参数表示将fd对应的文件，从offset位置起，将长度为length的内容映射到进程的地址空间。

需要注意mmap的操作单元是页，即最后映射的offset参数必须是内存页大小的整数倍，而Linux系统内存页大小一般为4096字节。

一个我在程序中的调用示例：

#define AXI_GPIO_BASEADDR 0x43C00000 int memfd = open("/dev/mem", O_RDWR| O_SYNC); if (-1 == memfd) {   printf("Can't open /dev/mem\n");   return -1; 
} unsigned int* led_gpio =    (unsigned int*)(mmap(NULL, MMAP_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE,MAP_SHARED, memfd, AXI_GPIO_BASEADDR));

调用mmap后，我们拿到一个指针，通过这个指针对指向的地址做任何操作，对应的寄存器物理地址也会有相同的效果。于是我们将它循环赋值0101，相应的寄存器控制的GPIO口输出电信号，于是板卡上的灯成功的闪烁起来，类似奥特曼体力不支时的能量灯。

多说两句，除了用来操作GPIO/字符设备外，mmap还有个常用的场景是操作块设备。它和传统的用read,write的区别，最关键的是省一次拷贝。

比如要读取磁盘上某个文件的数据，用read write的话，由于会涉及到系统调用，进程是无法直接访问内核的，所以在read系统调用返回前，内核需要将数据从内核复制到进程指定的buffer里。