前言

系统mmu开启后, 程序对内存的访问都是虚拟地址, 之后mmu会自动将虚拟地址变为实际的物理地址（硬件行为）, 所以我们的程序如果要访问物理地址的话，必须要通过mmu建立虚拟地址与物理地址之间的映射关系。对于虚拟地址映射到物理地址的操作, 涉及到3个典型的函数.

• ioremap
  • 在driver中使用，一般用于映射registers address。
• vmalloc
  • 在dirver中使用，在内存的vmalloc区申请一块连续的虚拟空间，生成虚拟空间所对应的物理地址并非连续。
• mmap
  • 在应用层使用，实现在应用层也可以访问物理地址

上述阐述了三个函数的使用场景，但同样都是虚拟地址映射到物理地址，它们之间有什么区别呢？ 这个问题必须要了解它们的实现才能明白，我们并不打算详细的分析代码，而是给出大体关键的脉络来解决，想通这个问题。

ioremap 与 vmalloc

这两个函数之所以放在一起讲，是因为它们的实现几乎是一样的。
这两个函数都是从VMALLOC区（内核虚拟地址空间）分配一个空闲的虚拟地址空间(※注意是虚拟地址空间), 我们看张图来理解一下函数的实现

首先，VMALLOC区 是由两个结构体维护的，即：struct vmap_area和 struct vm_struct。
其中vmap_area是专门用来管理 VMALLOC区域的虚拟空间。
即，一个vmap_area结构代表一块有效的虚拟空间, 当调用vmalloc函数或者ioremap时:

• 首先通过kmalloc创建一个 vmap_area结构体。
• 遍历vmap_area_root红黑树，找到VMALLOC区中的一个虚拟地址addr，这个addr与树中所有vmap_area结构体所管理的地址范围都没有重合。
• 之后将addr赋值到新创建的vmap_area结构体中，并插入到 vmap_area_root的红黑树中。

以上，新创建的 vmap_area结构体管理着addr地址以及size范围，即虚拟地址已经申请好了，那又如何映射到物理地址呢?
这里就需要 struct vm_struct结构体来管理了，vm_struct记录着虚拟地址与物理地址之间的关系。
我们紧接着上面的流程：

• vmap_area结构被赋值好后，会把其中的虚拟地址信息赋值到新创建的vm_struct中，之后
• 对于ioremap函数，知道了虚拟地址addr，知道了物理地址：寄存器地址（传入的参数），直接调用映射函数完成对mmu的编程，实现addr与寄存器地址之间的映射关系
• 对于vmalloc函数，知道了虚拟地址addr后，从伙伴系统中申请size(vmalloc函数的参数)大小的物理地址空间，之后调用映射函数完成虚拟地址与物理页之间的映射关系。

总结：

• vmalloc与ioremap在驱动中才能用，因为申请的虚拟内存是在内核的地址范围内，是从VMALLOC区域申请的。
• ioremap从VMALLOC区申请到虚拟地址后，直接映射（因为物理地址已知）: virtual addr <–> regsiters address。
• vmalloc从VMALLOC区申请到虚拟地址后，需要申请size大小的物理地址空间（vmalloc参数指定），然后在映射: virtual addr <–> 物理地址。

mmap

mmap，即实现：在应用层的虚拟地址空间（0->3G）中，找到一块可用的虚拟地址（vma），然后将这块虚拟空间的地址范围传入到driver，在driver中实现映射：vma<–>物理地址（一般显示driver经常这么用）

上图中我们可以看到，应用层的虚拟空间也类似于内核空间的VMALLOC区，也需要一个结构体管理：vm_area_struct，我们简称vma.不同的是，应用虚拟空间的管理，是在进程描述符中维护的，即不同的进程管理不同的vma。
对于一个进程的0-3G的虚拟空间，用vm_area_struct结构体来维护，一个vma代表一块有效的虚拟地址空间。
同一个vma存在于两个地方，一个是在mmap这个变量中，用链表维护着，方便统计，一个是在mm_rb所在的红黑树中维护，方便遍历查找。
我们通过上图中红框框的部分来描述mmap的实现过程（类似于上面的两个函数）

• 首先，遍历mm_rb管理的红黑树，找出0-3G空间中的可用地址范围
  即，找到的地址addr，不能跟树中的所有vm_area_struct所管理的地址范围重合
• 创建一个vma（vm_area_struct结构体), 将addr以及范围size赋值到此结构体中.
• 把vma传给driver, error = file->f_op->mmap(file, vma);
• driver中调用f_op->mmap，因为要映射的虚拟地址vma通过参数传进来了, 所以仅调用remap_pfn_range相关函数即可完成映射（物理地址空间是driver提前准备好的）
• 如果映射成功，将vma 插入到mmap链表中，然后在插入到红黑树mm_rb中
  • __vma_link

总结

• ioremap与vmalloc 是在内核虚拟空间的VMALLOC区申请虚拟地址
• mmap是在当前进程的user虚拟空间申请虚拟内存