Linux動態DMA映射

1. 幾種地址類型

虛擬地址

　　Linux內核使用的地址是虛擬地址，數據類型為void *。例如，kmalloc()和vmalloc()函數返回值就是虛擬地址。

物理地址

　　處理器真實地址總線上的地址，數據類型為phys_addr_t。

　　對I/O設備寄存器和內存統一編址的處理器，如ARM/PowerPC，參考手冊一般會給出memory map，也就是各種I/O設備的寄存器在物理地址空間的分布。對I/O設備寄存器獨立編址的處理器。如X86，訪問I/O設備寄存器或內存時，向地址總線發送地址，並通過控制信號來實現對I/O設備寄存器和內存的不同尋址。這些I/O設備寄存器的地址可以在/proc/iomem中查看，必須使用ioremap()映射到虛擬地址空間才可以使用。

總線地址

　　從I/O設備的角度看，I/O設備使用的地址是總線地址。DMA使用地址也是總線地址，數據類型為dma_addr_t。對一些簡單的系統，設備通過DMA可以直接訪問物理地址，但大多數系統都有IOMMU將總線地址轉換為物理地址。

2. DMA尋址能力

　　默認情況下Linux認為設備DMA可以進行32位尋址。必須對DMA mask進行設置，將設備的DMA尋址能力通知內核。

int dma_set_mask_and_coherent(struct device *dev, u64 mask)

 　　該函數也可以分為如下兩個函數，如果有需要，可以分別對流式映射設置DMA mask，對一致性分配設置DMA mask。

int dma_set_mask(struct device *dev, u64 mask);
int dma_set_coherent_mask(struct device *dev, u64 mask);

3. DMA映射的類型

 3.1 一致性DMA映射

　　一致性DMA映射通常在驅動初始化階段分配buffer，並且保持cache的一致性。分配和釋放一致性DMA buffer通常使用下面方法。

dma_addr_t dma_handle;
cpu_addr = dma_alloc_coherent(dev, size, &dma_handle, gfp);

dma_free_coherent(dev, size, cpu_addr, dma_handle)

　　當分配的buffer較小，小於一個頁的時候，通常使用dma_pool的APIs。

struct dma_pool *pool;
pool = dma_pool_create(name, dev, size, align, boundary);
cpu_addr = dma_pool_alloc(pool, flags, &dma_handle);

dma_pool_free(pool, cpu_addr, dma_handle);
dma_pool_destroy(pool)

3.2 流式DMA映射

　　流式DMA映射必須聲明DMA數據流的方向。

•  DMA_BIDIRECTIONAL
•  DMA_TO_DEVICE
•  DMA_FROM_DEVICE
•  DMA_NONE

　　對單個內存區域的映射和取消映射使用如下方法。

struct device *dev = &my_dev->dev;
dma_addr_t dma_handle;
void *addr = buffer->ptr;
size_t size = buffer->len;

dma_handle = dma_map_single(dev, addr, size, direction);

dma_unmap_single(dev, dma_handle, size, direction);

　　該方法直接使用虛擬地址addr的缺點就是不能對HIGHMEM內存進行映射。下面的函數提供對page映射和取消映射的方法。

struct device *dev = &my_dev->dev;
dma_addr_t dma_handle;
struct page *page = buffer->page;
unsigned long offset = buffer->offset;
size_t size = buffer->len;

dma_handle = dma_map_page(dev, page, offset, size, direction);

dma_unmap_page(dev, dma_handle, size, direction);

　　對散列表的映射和取消映射如下，nents是sglist中entry的數目。通過散列表，將多個不連續的內存區域進行映射。返回的count的數值可能比nents小，因為有些scatterlist在內存區域連續可能進行了合並。

int i, count = dma_map_sg(dev, sglist, nents, direction);
struct scatterlist *sg;

for_each_sg(sglist, sg, count, i) {
    hw_address[i] = sg_dma_address(sg);
    hw_len[i] = sg_dma_len(sg);
}

dma_unmap_sg(dev, sglist, nents, direction)

　　在流式DMA映射取消映射之前，CPU不應該訪問DMA buffer，如果需要訪問，則必須在DMA傳輸后相應地調用如下函數。

dma_sync_single_for_cpu(dev, dma_handle, size, direction);

dma_sync_sg_for_cpu(dev, sglist, nents, direction);

　　CPU訪問結束后，將buffer還給設備DMA使用時，需要相應調用如下函數。

dma_sync_single_for_device(dev, dma_handle, size, direction);

dma_sync_sg_for_device(dev, sglist, nents, direction);

 

參考

https://elixir.bootlin.com/linux/v5.4/source/Documentation/DMA-API-HOWTO.txt