Linux之DMA动态映射指南

DMA动态映射指南

translated by JHJ（jianghuijun211@gmail.com）本文通过伪代码指导驱动开发者如何正确使用DMA API。关于API更精确的描述，请参考DMA-API.txt。大多是64位平台有一些特殊硬件可以将总线地址（DMA地址）转换为物理地址。这个和CPU如何利用页表或TLB将虚拟地址转换成物理地址有点像。这种地址转换是有必要的，就像PCI设备可以在单个寻址周期里在64位物理地址空间寻址到任何一个页面。以前linux上的64位平台需要人为设置系统的最大内存大小，这样virt_to_bus（）就可以正在工作了（DMA地址转换页表在系统启动时简单初始化，通过__pa（bus_to_virt（）可以将DMA地址转换为物理页地址）。为了使linux可以使用DMA动态映射，它需要得到驱动的一些协助，也就是说需要考虑DMA地址只有在使用时才被映射，DMA传输后，需要取消映射。当然下面这些API可以在没有这些硬件限制的情况下正常工作。请注意这些DMA API可以在任何总线上工作，和体系结构无关。你应该是用DMA API而不是特定总线的DMA API（比pci_dma_*）。首先，你需要确定在你的驱动程序中#include <linux/dma-mapping.h>该文件定义了类型dma_addr_t（），它作为一个从DMA 映射函数返回的（总线）地址，到处都会使用到。

什么样的内存是DMA可用的？

第一件你要知道的事情是什么样的内核内存可以用作DMA映射。关于此有一些非书面的准则，本文试图将它们以文字的方式整理出来。如果你通过页分配器（比如__get_free_page*（））或者通用内存分配器（比如kmalloc（） or kmem_cache_alloc（））分配内存，那么你可以使用由这些函数返回的内存地址用作DMA传输。这意味着你不能使用vmalloc（）返回的内存地址用作DMA。DMA使用由vmalloc申请的内存是有可能的，但是需要遍历页表来获取物理地址，然后将这些页通过类似__va（）这样的函数转换成内核虚拟地址。这条规则意味着你不能将内核镜像地址（在data/text/bss段），或者模块镜像地址，或者栈地址用于DMA。即使这些物理内存可以用于DMA，你也要确保I/O缓冲区是缓存行对齐的。如果不是这样，你将会看到由于DMA不一致性缓存导致的缓存行共享问题（数据丢失）。比如处理器可能写一个字，而DMA在同一个缓存行写另一个字，他们两中的一个将被修改。同样的，这意味着你不能使用由kmap（）调用返回的地址，理由与vmalloc（）一样。可阻塞I/O或者网络缓冲区又会怎么样呢？可阻塞I/O及网络子系统可以确保它们使用的缓冲区可以用于DMA传输。

DMA寻址限制

你的设备有DMA寻址限制吗？比如你的设备只有低24位寻址能力？如果是的，那么你就需通知内核。默认情况下，内核假设设备可以在32位地址空间寻址。对于64位设备，设备的寻址空间将大大增加。对于一个有寻址限制的外设，如前面所讨论的，需要减小寻址空间。特别注意对于PCI设备：PCI-X规格书要求PCI-X设备对于数据交互要支持64位寻址。至少在一个平台上（SGI SN2）需要64位一致性内存分配，这样才可以在IO总线为PCI-X模式下正常工作。可以通过调用dma_set_mask（）来通知内核相关限制：int dma_set_mask（struct device *dev, u64 mask）;通过调用dma_set_coherent_mask（）通知内核一致性内存分配的限制。int dma_set_coherent_mask（struct device *dev, u64 mask）;这里devi为一个指向设备的指针，掩码显示与设备寻址能力对应的位。如果使用指定的mask时DMA能正常工作，则返回零。通常来说，设备数据结构是内嵌到特定总线的设备结构中的。比如一个指向PCI设备的指针为pdev->dev（pdev指向PCI设备）。如果返回非零值，则对应设备不能使用DMA。如果强行使用则会出现一些不确定现象。此时你需要用一个不同的掩码，或者不适用DMA。这意味着如果返回失败，你有三个选择：1）如果可能的话，使用另一个DMA掩码值；
2）如果可能的话使用非DMA模式传输数据；
3）放弃该设备，不要初始化该设备；因此如果你不想执行第二步或者第三步时，你应该在驱动中打印一个KERN_WARNING的消息。这样的话，当驱动使用者抱怨性能很差时，或者根本检测不到设备时，你可以让他们保存内核信息来找出准确原因。标准的32位寻址设备会如下做一些事情：if （dma_set_mask（dev, DMA_BIT_MASK（32））） {
                        printk（KERN_WARNING
                                "mydev: No suitable DMA available. "）;
                        goto ignore_this_device;
                }另一个常见的场景是拥有64位寻址能力的设备。该方法用于尝试64位寻址，但是会使用32位掩码，这样可以确保不会失败。内核可以在64位掩码中返回失败，不是因为没有64位寻址能力，而是因为32位寻址比64位寻址更加有效率。比如Sparc64 PCI SAC寻址就比DAC寻址更加有效率。下面的例子告诉你如何处理拥有64位处理能力的设备的流式DMA。int using_dac;

                if （！dma_set_mask（dev, DMA_BIT_MASK（64））） {
                        using_dac = 1;
                } else if （！dma_set_mask（dev, DMA_BIT_MASK（32））） {
                        using_dac = 0;
                } else {
                        printk（KERN_WARNING
                                "mydev: No suitable DMA available. "）;
                        goto ignore_this_device;
                }如果一个设备可以使用64位一致性内存，那么代码如下：int using_dac, consistent_using_dac;

                if （！dma_set_mask（dev, DMA_BIT_MASK（64））） {
                        using_dac = 1;
                        consistent_using_dac = 1;
                        dma_set_coherent_mask（dev, DMA_BIT_MASK（64））;
                } else if （！dma_set_mask（dev, DMA_BIT_MASK（32））） {
                        using_dac = 0;
                        consistent_using_dac = 0;
                        dma_set_coherent_mask（dev, DMA_BIT_MASK（32））;
                } else {
                        printk（KERN_WARNING
                                "mydev: No suitable DMA available. "）;
                        goto ignore_this_device;
                }最后，如果你的设备只有低24位寻址能力，那么代码可能如下：                if （dma_set_mask（dev, DMA_BIT_MASK（24））） {
                        printk（KERN_WARNING
                                "mydev: 24-bit DMA addressing not available. "）;
                        goto ignore_this_device;
                }当调用dma_set_mask（）成功时，会返回零。内核会保存输入的掩码值。以后再做DMA映射时就会用到该掩码信息。有一个特殊情况我们需要在这里提及一下。如果设备支持多重功能（比如声卡支持播放和录音功能），不同的功能有不同的DMA寻址寻址限制，你可能想探测每个掩码然后选出一个机器可以处理的值。最后调用dma_set_mask（）会成为最特别的掩码值，这点很重要。下面给出伪代码来展示如何处理该问题。#define PLAYBACK_ADDRESS_BITS DMA_BIT_MASK（32）
                #define RECORD_ADDRESS_BITS DMA_BIT_MASK（24）

                struct my_sound_card *card;
                struct device *dev;

                ...
                if （！dma_set_mask（dev, PLAYBACK_ADDRESS_BITS）） {
                        card->playback_enabled = 1;
                } else {
                        card->playback_enabled = 0;
                        printk（KERN_WARNING "%s: Playback disabled due to DMA limitations. ",
                                card->name）;
                }
                if （！dma_set_mask（dev, RECORD_ADDRESS_BITS）） {
                        card->record_enabled = 1;
                } else {
                        card->record_enabled = 0;
                        printk（KERN_WARNING "%s: Record disabled due to DMA limitations. ",
                                card->name）;
                }