linux dma cache

說(shuō)到DMA，就會(huì)想到Cache，兩者本身似乎是好不相關(guān)的事物。的確，假設(shè)DMA針對(duì)內(nèi)存的目的地址和Cache緩存的對(duì)象沒(méi)有重疊區(qū)域，DMA和Cache之間就相安無(wú)事，但是，如果有重疊呢，經(jīng)過(guò)DMA操作，Cache緩存對(duì)應(yīng)的內(nèi)存的數(shù)據(jù)已經(jīng)被修改，而CPU本身并不知道，它仍然認(rèn)為Cache中的數(shù)據(jù)仍然還是內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，以后訪問(wèn)Cache映射的內(nèi)存時(shí)，它仍然使用陳舊的Cache數(shù)據(jù)，這就會(huì)發(fā)生Cache與內(nèi)存之間數(shù)據(jù)不一致性的錯(cuò)誤。一旦出現(xiàn)這樣的情況，沒(méi)有處理好，驅(qū)動(dòng)就將無(wú)法正常運(yùn)行。那么怎樣解決呢？最簡(jiǎn)單的方法是直接禁止DMA目標(biāo)地址范圍內(nèi)內(nèi)存的Cache功能，當(dāng)然這是犧牲性能的，但卻高可靠。不是嗎，所以這兩者之間究竟怎么平衡，還真不好解決。 其實(shí)啊，Cache不一致的情況在其他地方也是可能發(fā)生的，比如，對(duì)于帶MMU功能的arm處理器，在開(kāi)啟MMU之前，需要設(shè)置Cache無(wú)效，TLB也是如此。

說(shuō)了，那么多DMA理論的東西，剩下的來(lái)點(diǎn)Linux下DMA編程的東西，當(dāng)然，這里也是點(diǎn)一下，具體怎么操作，我可要賣(mài)個(gè)關(guān)子到下節(jié)了。 在內(nèi)存中用于與外設(shè)交互數(shù)據(jù)的一塊區(qū)域被稱(chēng)作DMA緩沖區(qū)，在設(shè)備不支持scatter/gatherCSG,分散/聚集操作的情況下，DMA緩沖區(qū)必須是物理上聯(lián)系的。

對(duì)于ISA設(shè)備而言，其DMA操作只能在16MB以下的內(nèi)存進(jìn)行，因此，在使用kmalloc（）和__get_free_pages（）及其類(lèi)似函數(shù)申請(qǐng)DMA緩沖區(qū)時(shí)應(yīng)使用GFP_DMA標(biāo)志，這樣能保證獲得的內(nèi)存是具備DMA能力的。內(nèi)核中定義了__get_free_pages（）針對(duì)DMA的快捷方式__get_dma_pages（），它在申請(qǐng)標(biāo)志中添加了GFP_DMA,如下所示：

#define __get_dma__pages（gfp_mask, order）

__get_free_pages（（gfp_mask） | GFP_DMA, （order））

我不想使用order為參數(shù)的申請(qǐng)DMA內(nèi)存，感覺(jué)就是怪怪的，那咋辦？

那？這樣吧，你就用另外一個(gè)函數(shù)dma_mem_alloc（）源代碼如下：

/* dma_mem_alloc（）返回值為虛擬地址 */

static unsigned long dma_mem_alloc（int size）

{

int order = get_order（size）；//大小->指數(shù)

return __get_dma_pages（GFP_KERNEL, order）；

}

上節(jié)我們說(shuō)到了dma_mem_alloc（）函數(shù)，需要說(shuō)明的是DMA的硬件使用總線(xiàn)地址而非物理地址，總線(xiàn)地址是從設(shè)備角度上看到的內(nèi)存地址，物理地址是從CPU角度上看到的未經(jīng)轉(zhuǎn)換的內(nèi)存地址（經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換的那叫虛擬地址）。在PC上，對(duì)于ISA和PCI而言，總線(xiàn)即為物理地址，但并非每個(gè)平臺(tái)都是如此。由于有時(shí)候接口總線(xiàn)是通過(guò)橋接電路被連接，橋接電路會(huì)將IO地址映射為不同的物理地址。例如，在PRep（PowerPC Reference Platform）系統(tǒng)中，物理地址0在設(shè)備端看起來(lái)是0X80000000，而0通常又被映射為虛擬地址0xC0000000,所以同一地址就具備了三重身份：物理地址0,總線(xiàn)地址0x80000000及虛擬地址0xC0000000,還有一些系統(tǒng)提供了頁(yè)面映射機(jī)制，它能將任意的頁(yè)面映射為連續(xù)的外設(shè)總線(xiàn)地址。內(nèi)核提供了如下函數(shù)用于進(jìn)行簡(jiǎn)單的虛擬地址/總線(xiàn)地址轉(zhuǎn)換：

unsigned long virt_to_bus（volatile void *address）；

void *bus_to_virt（unsigned long address）；

在使用IOMMU或反彈緩沖區(qū)的情況下，上述函數(shù)一般不會(huì)正常工作。而且，這兩個(gè)函數(shù)并不建議使用。

需要說(shuō)明的是設(shè)備不一定能在所有的內(nèi)存地址上執(zhí)行DMA操作，在這種情況下應(yīng)該通過(guò)下列函數(shù)執(zhí)行DMA地址掩碼：

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

比如，對(duì)于只能在24位地址上執(zhí)行DMA操作的設(shè)備而言，就應(yīng)該調(diào)用dma_set_mask（dev, 0xffffffff）。DMA映射包括兩個(gè)方面的工作：分配一片DMA緩沖區(qū)；為這片緩沖區(qū)產(chǎn)生設(shè)備可訪問(wèn)的地址。結(jié)合前面所講的，DMA映射必須考慮Cache一致性問(wèn)題。內(nèi)核中提供了一下函數(shù)用于分配一個(gè)DMA一致性的內(nèi)存區(qū)域：

void *dma_alloc_coherent（struct device *dev, size_t size, dma_addr_t *handle, gfp_t gfp）；

這個(gè)函數(shù)的返回值為申請(qǐng)到的DMA緩沖區(qū)的虛擬地址。此外，該函數(shù)還通過(guò)參數(shù)handle返回DMA緩沖區(qū)的總線(xiàn)地址。與之對(duì)應(yīng)的釋放函數(shù)為：

void dma_free_coherent（struct device *dev, size_t size, void *cpu_addr, dma_addr_t handle）；

以下函數(shù)用于分配一個(gè)寫(xiě)合并（writecombinbing）的DMA緩沖區(qū)：

void *dma_alloc_writecombine（struct device *dev, size_t size, dma_addr_t *handle, gfp_t gfp）；

與之對(duì)應(yīng)的是釋放函數(shù)：dma_free_writecombine（），它其實(shí)就是dma_free_conherent,只不過(guò)是用了#define重命名而已。

此外，Linux內(nèi)核還提供了PCI設(shè)備申請(qǐng)DMA緩沖區(qū)的函數(shù)pci_alloc_consistent（），原型為：

void *pci_alloc_consistent（struct pci_dev *dev, size_t size, dma_addr_t *dma_addrp）； 對(duì)應(yīng)的釋放函數(shù)為：

void pci_free_consistent（struct pci_dev *pdev, size_t size, void *cpu_addr, dma_addr_t dma_addr）；

相對(duì)于一致性DMA映射而言，流式DMA映射的接口較為復(fù)雜。對(duì)于單個(gè)已經(jīng)分配的緩沖區(qū)而言，使用dma_map_single（）可實(shí)現(xiàn)流式DMA映射：

dma_addr_t dma_map_single（struct device *dev, void *buffer, size_t size, enum dma_data_direction direction）； 如果映射成功，返回的是總線(xiàn)地址，否則返回NULL.最后一個(gè)參數(shù)DMA的方向，可能取DMA_TO_DEVICE, DMA_FORM_DEVICE, DMA_BIDIRECTIONAL和DMA_NONE;

與之對(duì)應(yīng)的反函數(shù)是：

void dma_unmap_single（struct device *dev,dma_addr_t *dma_addrp,size_t size,enum dma_data_direction direction）；

通常情況下，設(shè)備驅(qū)動(dòng)不應(yīng)該訪問(wèn)unmap（）的流式DMA緩沖區(qū)，如果你說(shuō)我就愿意這么做，我又說(shuō)寫(xiě)什么呢，選擇了權(quán)利，就選擇了責(zé)任，對(duì)吧。這時(shí)可先使用如下函數(shù)獲得DMA緩沖區(qū)的擁有權(quán)：

void dma_sync_single_for_cpu（struct device *dev,dma_handle_t bus_addr, size_t size, enum dma_data_direction direction）；

在驅(qū)動(dòng)訪問(wèn)完DMA緩沖區(qū)后，應(yīng)該將其所有權(quán)還給設(shè)備，通過(guò)下面的函數(shù)：