大概雍正皇帝怎么也不會想到，自己在西歷2022年的男生和女生眼里，會是截然不同的兩種形象。

1

以我對身邊同學朋友的觀察，男生們大多愛看《雍正王朝》，他們眼中的雍正，大約是個推行了“火耗歸公”、“攤丁入畝”等遏制貪腐，減輕稅收之類政策的改革家，是個經歷了九子奪嫡的驚心動魄、腹黑深沉的政治家，是個登基后也兢兢業業，熬夜加班996的工作狂。

而女生們大多愛看《甄嬛傳》，她們眼里的雍正，是“大胖橘”，是“大豬蹄子”，是被后宮一眾妃嬪玩弄于股掌之中，戴了N頂綠帽，最后還被鈕鈷祿甄嬛氣死的渣男。

我沒完整的看過甄嬛傳，但是有幸在吃飯的時候陪我家那位看過幾集。

正所謂后宮佳麗三千人，鐵杵磨成繡花針... （不是妃嬪太多了，皇帝就一個，難免會互相爭風吃醋。位份高的貴妃的仗勢欺人，一些小妃嬪無法正面回擊，自然會用點別的奇淫技巧，扎小人就是其中一個出現頻率較高的方法。

據我總結，扎小人這個技術的核心思想是：用戶這邊由于無法扎到正主，只能拿個自己身邊的布片等物品模擬一個小人出來，在上面畫上正主的經筋脈絡，寫上名字，施以某種魔法，然后用針扎自己手邊的小人的某個穴道，遠程那位正主的對應部位就會受到同樣的折磨。

雖然有點神乎其技，令人羨慕而不可得。但是在linux內核開發里面，卻可以用mmap的機制實現類似的效果。

2

mmap的核心思想是：用戶這邊由于在用戶態無法直接操作寄存器的物理地址，于是通過mmap方法進行內存映射，將物理地址映射到用戶態的虛擬地址上，然后用戶通過讀寫自己手邊的虛擬地址，就可以實現對物理地址的讀取/寫入。

兩者的共同點是，由于無法直接操作目標，所以通過某種方法，將自己能操作的事物和目標建立一種映射關系，從而達到如臂使指，指哪打哪，打哪哪疼的效果。

只要能建立起對目標的映射，我們借此映射能做什么文章，自然有很多想象空間。所以mmap有很多用途，有人用它來實現進程間通信，有人用它搬運數據，對于我們嵌入式工程師來說，我們可以用它來點燈。嘿嘿，想不到吧！

且聽我慢慢道來。

3

作為一個嵌入式工程師，花式點燈是必備技能。無論是寫裸機代碼操作GPIO口，還是通過物聯網云端遠程控制LED，從硬件的角度講，核心原理都是找到連接LED的GPIO口，讓它輸出一個電信號。而從軟件的角度講，最終目的就是找到這個GPIO口對應寄存器的地址，根據實際的電路要求，讓CPU給它寫入一個1或者0。

裸機開發的時候，我們可以直接找到物理地址進行操作。而在Linux系統里卻略有不同。因為在操作系統里有內核空間的存在，我們寫的程序都是運行在用戶態的，需要經過內核來對硬件進行驅動，無法直接操作物理地址。

你當然可以選擇為這個LED寫一個驅動，從而在用戶空間通過read，write來操作它的狀態。不過有些同學一聽要寫驅動，就想吟一首蜀道難來表達自己的望而卻步。所以沒了解過驅動的同學你也可以選擇用一種更直接的方式：mmap。

就好像你可以選擇給貴妃下藥來控制她，不過下藥這種方式需要精通藥理、掌控時機，成本較高，難度較大。只要能達到目的，有時候扎個小人或許更加經濟適用。

我在上家公司的時候用ARM Cortex-A9芯片做過一個項目，開發過程大概是先和硬件同事約定好一個協議，然后我通過GPIO口的輸入輸出模擬出這個協議，通過它對寄存器進行讀寫配置，驅動硬件ADC采樣，然后將采回來的數據通過DMA傳輸，最終到應用層進行分析處理。其中驅動GPIO口的部分就用了mmap。

項目很大，做了半年多，想完全講明白也不現實，不過我們可以從驅動GPIO口這個點切入，體會一下軟件驅動硬件中間這玄妙的過程。聰明的你一定可以舉一反三。

4

作為一個軟件工程師，拿到板子的時候，硬件工程師一般會給你一份文檔，類似這樣：

這個文檔會指明，如果想操作這個GPIO口的話，你需要用GPIO外設的基地址加上偏移地址找到對應的寄存器地址，再用位操作給指定的bit寫入命令。

不過我由于FPGA也會一些，所以我們公司里FPGA的Block Diagram都是我來建的。建好FPGA的硬件工程后做一下綜合，從Address Map里就能看到我想用的GPIO口地址了。如圖：

無論怎樣，你現在拿到這個所謂的硬件寄存器地址了，接下來我們就可以拿小人扎它了。

以上圖我拿到的0x43C00000為例，這是寄存器的地址，那我能否直接在應用程序里把0x43C00000賦值給一個指針，然后對它進行讀寫呢？

在玩裸機的時候確實是這樣的。但是上面說了，Linux系統有虛擬內存的存在，就不能這么做了。因為理論上我可以在系統里開100個進程，這100個進程里都有0x43C00000這個地址，那這100個地址哪個是真正的寄存器地址呢？可能都不是。因為進程里的0x43C00000是虛擬的，它真正對應的物理地址在哪里，沒人知道。要想把虛擬地址和物理地址對應起來，就得用mmap進行內存映射。

5

mmap的函數接口定義如下：

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

這里面參數比較多。其中addr一般指定為NULL，prot則用于設置映射區域的權限，比如是否可讀可寫；flags則用于指定是共享映射還是私有映射；而fd，offset，length這三個參數表示將fd對應的文件，從offset位置起，將長度為length的內容映射到進程的地址空間。

需要注意mmap的操作單元是頁，即最后映射的offset參數必須是內存頁大小的整數倍，而Linux系統內存頁大小一般為4096字節。

一個我在程序中的調用示例：

#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));

調用mmap后，我們拿到一個指針，通過這個指針對指向的地址做任何操作，對應的寄存器物理地址也會有相同的效果。于是我們將它循環賦值0101，相應的寄存器控制的GPIO口輸出電信號，于是板卡上的燈成功的閃爍起來，類似奧特曼體力不支時的能量燈。

6

多說兩句，除了用來操作GPIO/字符設備外，mmap還有個常用的場景是操作塊設備。它和傳統的用read,write的區別，最關鍵的是省一次拷貝。

比如要讀取磁盤上某個文件的數據，用read write的話，由于會涉及到系統調用，進程是無法直接訪問內核的，所以在read系統調用返回前，內核需要將數據從內核復制到進程指定的buffer里。

但如果用mmap的話，那么這段數據會首先拷貝到內存中作為頁緩存（即page cache)。用mmap將這段內存映射到用戶空間，則進程可以通過指針直接讀寫page cache，不再需要多余的系統調用和內存拷貝。

不過雖然少了一次拷貝，但mmap會觸發缺頁中斷（page fault），相比于內存拷貝而言，缺頁中斷的開銷更大。所以性能而言mmap大部分情況下并不會比read/write要好。

說到頁緩存，我在上家公司開發項目的時候，還被臟頁延遲這玩意坑過。篇幅所限，頁緩存涉及到的缺頁中斷，臟頁，延遲寫回，sync強制寫回等內容，我們下次再詳細聊聊。

7

好了，于是我們學會用mmap點亮一個燈了。想象一下接下來的場景：

你跟公司研發部最漂亮的女同事說，

“hi，領導那邊給了我們組一個新任務，你寫個驅動控制一下LED吧？”

“啊？驅動這么難，我不會啦”

“哦沒事，那你用mmap吧”

“誒你怎么罵人呢！”