說明：

1. Kernel版本：4.14

2. ARM64處理器，Contex-A53，雙核

3. 使用工具：Source Insight 3.5， Visio

1. 概述

DMA（Direct Memory Access）：直接存儲器訪問；

先看問題的引入：

• Non-DMA：CPU直接與設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互，CPU的負載會隨著數(shù)據(jù)的讀寫而增加；

• DMA：CPU不參與數(shù)據(jù)的直接傳輸，DMA Controller負責(zé)Device與Memory之間的數(shù)據(jù)搬運，并以中斷信號的形式通知CPU；

• 可以看出，使用DMA的最大優(yōu)點是可以提高CPU的使用率；

2. address mapping

DMA涉及三種地址空間：

• CPU虛擬地址：CPU使用的地址空間；

• CPU物理地址：CPU使用的虛擬地址通過MMU轉(zhuǎn)換成物理地址；

• 總線地址：設(shè)備使用的地址空間；

CPU與Device看待地址的空間不一樣，看幾個示例：

1. A：Host bridge負責(zé)將Bus address映射到CPU的物理地址空間，可以通過ioremap?來使用，比如PCI/PCIe；

2. B：設(shè)備使用的總線地址，可以通過IOMMU訪問到CPU的物理地址空間，由IOMMU來負責(zé)映射；

3. C：設(shè)備使用的總線地址與CPU的物理地址相同，不需要使用IOMMU進行地址轉(zhuǎn)換；

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2.1 cache coherence

DMA的操作，通常與cache相關(guān)，先了解一下cache coherence：

• cache coherence設(shè)備：設(shè)備之間的讀寫不需要關(guān)心cache的一致性問題，硬件將確保數(shù)據(jù)一致，比如連接在ARM CCI端口上的設(shè)備就是cache coherence設(shè)備；

• non-coherence設(shè)備：需要額外的軟件操作（flush/invalidate）等操作來確保數(shù)據(jù)一致；

3. DMA mappings

Linux內(nèi)核中提供了兩種dma mapping的接口：Consistent mapping和Stream mapping。

3.1 Consistent DMA mappings

• consistent mapping：對應(yīng)于cache-coherence設(shè)備，硬件確保device和CPU都能并行訪問數(shù)據(jù)，并能看到彼此的更新，而不需要軟件的flush操作；

• 通常在驅(qū)動init時進行map操作，而在deinit時進行unmap操作；

通常在使用consistent dma mapping時，首先需要通過dma_alloc_coherent接口來分配一段區(qū)域：

• dma_alloc_coherent用于分配coherent內(nèi)存，并返回對應(yīng)的虛擬地址；

• 進行內(nèi)存分配時，存在三種方式：1）優(yōu)先從設(shè)備專用的dma池開始分配；2）無專用dma池，如果是dma-direct訪問，通過dma_direct_alloc分配，而底層是依賴于CMA來分配；3）使用IOMMU的設(shè)備，則通過iommu的操作函數(shù)集來分配；

3.1 device reserved

通常，可以為設(shè)備指定專用的dma coherent的區(qū)域，有以下的方式：

1. 通過在設(shè)備樹中添加對應(yīng)的屬性值，驅(qū)動中可以調(diào)用of_reserved_mem_device_init最終完成dma區(qū)域的注冊；

2. 直接通過接口dma_decleare_coherent_memory調(diào)用來進行注冊；

3.2 dma pool

驅(qū)動中經(jīng)常面臨buffer的管理，可以使用dma pool機制來處理，大概的原理如下：

• dma-pool以頁為單位來進行管理分配，可以通過添加多個dma池來使用；

• dma-pool子系統(tǒng)的細節(jié)描述，需要另起一篇文章了；

3.2 Streaming DMA mappings

• streaming mapping：對應(yīng)于non-coherence設(shè)備；

• 通常在單次DMA傳輸時進行map，在傳輸完成后進行unmap（除非調(diào)用了dma_sync_XXX()函數(shù)）；

• non-coherence設(shè)備，由于buffer不與其他數(shù)據(jù)共享cache line，通常會work better；

先看一下數(shù)據(jù)一致性問題：

• dma to device時，需要將cache中的數(shù)據(jù)flush到memory中；

• dma from device時，需要先將cache中的數(shù)據(jù)invalidate掉，避免CPU讀取的是原來的數(shù)據(jù)；

dma_map_single函數(shù)如下：

• map操作時存在兩種方式，直接映射或使用iommu來完成映射；

dma_unmap_single是逆操作：

從上述函數(shù)中可以看到，最終都會調(diào)用到arch相關(guān)的cache操作，這個與體系結(jié)構(gòu)是強相關(guān)的，以arm64為例：

• 最終的代碼將調(diào)用到匯編中，操作也較簡單，不再贅述了；

原文作者：LoyenWang