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MMAP 與 DMA

Chapter 15. MMAP 與 DMA. 601430026 許名宏. 15.1 Linux 的記憶體管理. 主要是描述用於控管記憶體的各種 資料結構，相當冗長 。 有了 必要的基礎知識後，我們就可以開始使用這些 結構 。. 15.1.1 位址的分類 (1/4). 作業系統的分類 上， Linux 是一種虛擬記憶 系統。 虛擬記憶系統將邏輯世界 ( 軟體 ) 與現實世界 ( 硬體 ) 分隔開 來 ， 最大 的好處是軟體可配置的空間超過 RAM 的實際 容量。 另一 項優點是核心可在執行 期間改變 行程的部分記憶 空間。

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  1. Chapter 15 MMAP與DMA 601430026 許名宏

  2. 15.1 Linux的記憶體管理 • 主要是描述用於控管記憶體的各種資料結構，相當冗長。有了必要的基礎知識後，我們就可以開始使用這些結構。

  3. 15.1.1 位址的分類(1/4) • 作業系統的分類上，Linux是一種虛擬記憶系統。 • 虛擬記憶系統將邏輯世界(軟體)與現實世界(硬體)分隔開來，最大的好處是軟體可配置的空間超過RAM的實際容量。 • 另一項優點是核心可在執行期間改變行程的部分記憶空間。 • Linux系統上不只有兩種位址(虛擬、實體)，而且每種位址都有其特殊用途。但核心原始程式裡沒有明確定義何種位址適用何種情況，所以必須相當謹慎小心。

  4. 15.1.1 位址的分類(2/4)

  5. 15.1.1 位址的分類(3/4) • 使用者虛擬位址(User Virtual Address) • 簡稱為虛擬位址，也就是 user-process 所見到的一般位址。虛擬位址寬度隨CPU架構而定。 • 實體位址(Physical Address) • 用於CPU與系統記憶體之間的位址。寬度依CPU而定，但不一定與CPU暫存器的寬度相符。 • 匯流排位址(Bus Address) • 用於周邊匯流排與記憶體的位址，具有高度的平台相依性。 • 核心邏輯位址(Kernel Logical Address) 這類位址構成核心的正常位址空間，他們對應到所有主記憶體，而且通常被當作實體位址來使用。邏輯位址與實體位址只差距一段固定偏移量，通常存放在unsigned long或void *型別變數上。kmalloc()所傳回的記憶體，就是以邏輯位址來定位。 • 核心虛擬位址(Kernel Virtual Address) • 核心虛擬位址跟邏輯位址不同之處，在於核心虛擬位址與實體位址不一定有直接對應關係，虛擬位址通常存放在指標變數中。vmalloc()配置而來得記憶體位址是以虛擬位址來表示。

  6. 15.1.1 位址的分類(4/4) • <asm/page.h>定義了兩個可換算位址的巨集。 • 如果你有一個邏輯位址， __pa()巨集可換算出其對應的實體位址。 • __va()可將實體位址換算回邏輯位址，但僅限於低記憶體的實體位址才有效，因為高記憶體沒有邏輯位址。

  7. 15.1.2 高低記憶體 • 核心邏輯位址與核心虛擬位址之間的差異，在配備超大量記憶體的32-bits系統上才凸顯出來。 • 低記憶體(Low memory) • 存在於kernel-space裡，具有邏輯位址的記憶體。 • 高記憶體(High memory) 沒有邏輯位址的記憶體，因為超過了核心的虛擬位址空間。 • 高低記憶體之間的分界線 核心在開機期間依據BIOS提供的資訊來決定的。在i386系統，分界通常位於1GB的位置。這是核心自己設下的限制，因為核心必須將32-bit位址空間劃分成kernel-space與user-space兩大部份。

  8. 15.1.3 記憶體對應表與struct page(1/2) • 由於高記憶體沒有邏輯位址，核心裡負責管理記憶體的函式，紛紛改用struct page來代替邏輯位址。 • page結構含有關於實體記憶體的一切資訊。系統上的每一個實體記憶頁，都有一個專屬的struct page，以下是page結構裡幾個比較重要的欄位。 • atomic_t count； • 此記憶頁的用量計次。當count值降為0時，記憶頁會被釋放回自由串列。 • void *virtual； • 本記憶頁對應的核心虛擬位址；若無對應的虛擬位址則指向NULL 。 • unsigned long flags； • 一組描述記憶頁狀態的位元旗標。如PG_locked(代表記憶頁是否已被鎖定)、PG_reserved(是否受記憶體管理系統的管轄) 。

  9. 15.1.3 記憶體對應表與struct page(2/2) • 為了方便在struct page指標與虛擬位址之間轉換，Linux定義了一組方便的函式與巨集: • struct page *virt_to_page(void *kaddr) ； • 將核心邏輯位址轉換成對應的struct page指標。 • void *page_address(struct page *page)； • 傳回指定的page的核心虛擬位址。位於高記憶體的記憶頁，除非已事先映射到虛擬位址空間，否則沒有虛擬位址。 • #include <linux/highmem.h> • void *kmap(struct page *page) ； • kmap()可傳回系統上任何記憶頁的核心虛擬位址。 • Page在低記憶體→則傳回該記憶頁的邏輯位址。 • Page在高記憶體→kmap()主動將它映射到特殊的虛擬空間。 • 如果分頁表剛好沒有空位，kmap()有可能會休眠。 • void kunmap(struct page *page) ； • 將kmap()所建立的特殊對應解除。

  10. 15.1.4 虛擬記憶體分區(1/6) • 核心需要一個較高層級的機制，才能處理行程所見到的記憶體佈局。在Linux，這機制稱為虛擬記憶體分區(virtual memory areas)，通常簡稱為分區或VMA。 • 用來管理使用者行程的虛擬位址空間的各個區域。 • 一個行程的虛擬位址空間，至少含有下列幾個VMA: • 一個存放程式碼(executable binary)的區域，通常稱為text。 • 多個資料分區，包括有初值的資料、沒初值的資料，以及程式堆疊。 • 每一個有效的記憶體對映(memory mapping)，各有一個分區。

  11. 15.1.4 虛擬記憶體分區(2/6) • 例：以下是init行程VMA的分布情形。cat /proc/1/maps 08048000-0804e000 r-xp 00000000 03:01 64652 /sbin/init text 0804e000-0804f000 rw-p 00006000 03:01 64652 /sbin/init data 0804f000-08053000 rwxp 00000000 00:00 0 zero-mapped BSS 40000000-40015000 r-xp 00000000 03:01 96278 /lib/ld-2.3.2.so text 40015000-40016000 rw-p 00014000 03:01 96278 /lib/ld-2.3.2.so data 40016000-40017000 rw-p 00000000 00:00 0 BSS for ld.so 42000000-4212e000 r-xp 00000000 03:01 80290 /lib/tls/libc-2.3.2.so text 4212e000-42131000 rw-p 0012e000 03:01 80290 /lib/tls/libc-2.3.2.so data 42131000-42133000 rw-p 00000000 00:00 0 BSS for libc bffff000-c0000000 rwxp 00000000 00:00 0 Stack segment ffffe000-fffff000 ---p 00000000 00:00 0 vsyscallpage 各欄位的格式如下: start-end|perm|offset|major:minor|inode|imagename

  12. 15.1.4 虛擬記憶體分區(3/6) • 上面每一欄除了imagename之外，都分別對應到structvm_area_struct裡的欄位，這些欄位意義如下: • start、end VMA前後邊界的虛擬位址 • perm VMA的存取位元遮罩(r、w、x、p/s) • offset VMA所映射的檔案內容之起點 • major:minor 持有映射檔的裝置的主、次編號 • inode 被映射檔案的inode編號 • imagename 被映射檔案(通常是可執行檔)的名稱 • mmap() 是Unix 系統的一個重要的系統呼叫，其作用是將裝置記憶體映射到 user-space 行程的虛擬記憶空間。

  13. 15.1.4 虛擬記憶體分區(4/6) • Linux核心是以 structvm_area_struct 來表示VMA。 • 驅動程式不能任意建立新的VMA，否則會破壞整個組織，在核心內部，VMA是以串列與樹狀結構組織在一起(為了提升查詢VMA的效率) 。 • vm_area_struct的主要欄位: • unsigned long vm_start； • unsigned long vm_end； • VMA所涵蓋的虛擬位址範圍。 • struct file *vm_file； • 如果VMA的映射對象是檔案，則vm_file指向該檔案的struct file結構。

  14. 15.1.4 虛擬記憶體分區(5/6) • unsigned long vm_pgoff； • 此區域在檔案裡的相對位置(以page為單位)。當一個檔案或裝置被映射到記憶體，vm_pgoff就是映射到此區域的第一頁的檔案位置。 • unsigned long vm_flags； • 描述VMA性質的一組旗標。對裝置驅動程式而言，最可能用到的旗標是VM_IO 與VM_RESERVED。其中VM_IO表示該VMA是映射到硬體裝置上的I/O 位址區；VM_RESERVED要求記憶體管理系統不要將該VMA置換到磁碟上。 • structvm_operations_struct *vm_ops； • 一組可供核心用來操作此VMA的函式。這函式指標的存在，表示核心將VMA當成一種物件來看待。 • void *vm_private_data； • 供驅動程式用於儲存私有資訊的欄位。

  15. 15.1.4 虛擬記憶體分區(6/6) • void (*open)(structvm_area_struct*vma)； • 核心會呼叫open作業方法，讓實作VMA的子系統有機會初始VMA 、調整用量計次...等等。 • void (*close)(structvm_area_struct*vma)； • 當VMA被摧毀，核心會呼叫它的close作業方法。 • struct page *(*nopage)(structvm_area_struct *vma, unsigned long address, inttype)； • 行程試圖讀取某個VMA記憶頁，但該記憶頁目前不在主記憶體裡，則會執行VMA的nopage作業方法。nopage作業方法通常會從磁碟上的交換區讀回記憶頁的內容，然後傳回一個指向實體記憶頁的structpage的指標。若果VMA沒定義它自己的nopage作業方法，則核心會配置一個空的記憶頁。

  16. remap_pfn_range() 與 nopage 作法圖示 ︰

  17. 15.2 mmap作業方法(1/2) • 就驅動程式的觀點而言，記憶體映射可用來提供直接存取裝置記憶體的能力給user-space應用程式。 • mmap()最經典的應用，就是 X Window System server 利用它來存取顯示卡的視訊記憶體。以下是 Xserver 行程的記憶體對應表: cat /proc/731/maps 000a0000-000c0000 rwxs 000a0000 03:01 282652 /dev/mem 000f0000-00100000 r-xs 000f0000 03:01 282652 /dev/mem 00400000-005c0000 r-xp 00000000 03:01 1366927 /usr/X11R6/bin/Xorg 006bf000-006f7000 rw-p 001bf000 03:01 1366927 /usr/X11R6/bin/Xorg 2a95828000-2a958a8000 rw-s fcc00000 03:01 282652 /dev/mem 2a958a8000-2a9d8a8000 rw-s e8000000 03:01 282652 /dev/mem • a0000：VGA卡的視訊記憶體的標準位置 • e8000000：位於系統記憶體的頂端，直接對應到顯卡上的視訊記憶體

  18. 15.2 mmap作業方法(2/2) • 由於X server時常需要傳輸大量資料到視訊記憶體，如果使用傳統的lseek()、write()，勢必引發相當頻繁的context switch，而傳輸效率當然就很差勁；然而如果將視訊記憶體直接映射到user-space，則應用程式可以直接填寫視訊記憶體，所以傳輸效率得以大幅提升。 • mmap作業方法屬於file_operations結構的一部份，由mmap()系統呼叫觸發。 • mmap (caddr_taddr,size_tlength,intprot,intflags,intfd,off_toffset)； /此為mmap()系統呼叫的宣告形式/ • int (*mmap)(structfile *filp,structvm_area_struct *vma)； /mmap作業方法宣告方式/ • 有兩種方法可以製作分頁表:全部交給remap_pfn_range()函式一次搞定。或者透過VMA的nopage作業方法，在VMA被存取時，才一次處理一頁。

  19. 15.2.1 使用remap_pfn_range() • 要將一段虛擬位址映射到一段實體位址，必須另外產生新的分頁表，這個任務就交給它來完成。 • intremap_pfn_range(structvm_area_struct *vma, unsigned long virt_addr, unsigned long pfn, unsigned long size, pgprot_tprot)； • 映射成功，則傳回0，否則傳回一個負值錯誤碼。 • vma 記憶頁所要映射到的VMA。 • virt_addr實體位址所要映射到的虛擬位址範圍之起點。 • pfn 虛擬位址所要映射到的實體位址的頁框編號。 • size 映射區的規模(以byte為計算單位) 。 • prot 新VMA的保護方式。驅動程式能使用 vma->vm_page_port所提供的值。

  20. 15.2.2 mmap實例 簡單、線性的映射作法，讓應用程式可透過user-space的某段虛擬位 址來存取裝置記憶體 • static intsimple_remap_mmap(struct file *filp, structvm_area_struct *vma) • { • if (remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, vm->vm_pgoff, • vma->vm_end - vma->vm_start, • vma->vm_page_prot)) • return -EAGAIN; • vma->vm_ops = &simple_remap_vm_ops; • simple_vma_open(vma); • return 0; • }

  21. 15.2.3 增添新的VMA作業方法 • void simple_vma_open(structvm_area_struct *vma) • { • printk(KERN_NOTICE "Simple VMA open, virt %lx, phys %lx\n", • vma->vm_start, vma->vm_pgoff << PAGE_SHIFT); • } • void simple_vma_close(structvm_area_struct *vma) • { • printk(KERN_NOTICE "Simple VMA close.\n"); • } • static structvm_operations_structsimple_remap_vm_ops = { • .open = simple_vma_open, • .close = simple_vma_close, • };

  22. 15.2.4 使用nopage映射記憶體(1/3) • 雖然remap_page_range()已足以應付許多驅動程式的mmap，但偶爾會需要多一點彈性。對於這類情況，VMA的nopage作業方法或許是可以考慮的選擇。 • 適合使用nopage作業方法來映射位址空間的情況，是當驅動程式只需在VMA發生變化才會有處理動作時。應用程式可透過mremap()系統呼叫來改變VMA的邊界或大小。 • 發生mremap()系統呼叫時，核心不一定會通知驅動程式；假如改變的結果是VMA範圍縮減，核心可以默默清理掉多出來的記憶頁，而不必通知驅動程式；但如果是範圍擴張，核心才會呼叫該VMA的nopage作業方法來配置新的記憶頁。 • 之所以不讓驅動程式收到映射區擴張通知，是因為記憶體被實際應用之前，沒有處理的必要，而當真的有必要時，核心可觸發nopage來處理。

  23. 15.2.4 使用nopage映射記憶體(2/3) • struct page *simple_vma_nopage(structvm_area_struct *vma, unsigned long address, int*type) • { • structpage *pageptr; • unsigned long offset = vma->vm_pgoff << PAGE_SHIFT; • unsigned long physaddr = address - vma->vm_start + offset; • unsigned long pageframe = physaddr >> PAGE_SHIFT; • if (!pfn_valid(pageframe)) • return NOPAGE_SIGBUS; • pageptr= pfn_to_page(pageframe); • get_page(pageptr); //遞增用量計次 • if (type) • *type = VM_FAULT_MINOR; • return pageptr; • }

  24. 15.2.4 使用nopage映射記憶體(3/3) static intsimple_nopage_mmap(struct file *filp, structvm_area_struct *vma) { unsigned long offset = vma ->vm_pgoff << PAGE_SHIFT; if (offset >= _ _ pa(high_memory) || (filp->f_flags & O_SYNC)) vma->vm_flags |= VM_IO; vma->vm_flags |= VM_RESERVED; vma->vm_ops = &simple_nopage_vm_ops; simple_vma_open(vma); return 0; }

  25. 15.2.5 重新映射特定I/O區(1/2) • 如果只想將整段位址中的一小段映射到user-space，驅動程式必須自己處理偏移位置(offset)。 • 例如，若要將實體位置simple_region_start開始的simple_region_size個位元組映射到user-space: • unsigned long off = vma->vm_pgoff << PAGE_SHIFT; • unsigned long physical = simple_region_start + off; • unsigned long vsize = vma->vm_end - vma->vm_start; • unsigned long psize = simple_region_size - off; • if (vsize > psize) • return -EINVAL; //跨越範圍太大 • remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, physical, vsize, • vma->vm_page_prot);

  26. 15.2.5 重新映射特定I/O區(2/2) • 要避免映射範圍擴張，最簡單的辦法是實作一個簡單的nopage作業方法，讓它回覆一個SIGBUS信號給發生失誤的行程。例如: • struct page *simple_nopage(structvm_area_struct *vma, unsigned long address, int*type) • { • return NOPAGE_SIGBUS; /* 傳回一個 SIGBUS */ • }

  27. 15.2.6 重新映射 RAM • 如果要適度容許映射擴張，比較完善的做法，是檢查引發分頁失誤的位址，是否在有效的實體範圍內，如果是，才容許映射。 • remap_page_range() :只有保留頁，以及在實體記憶體(RAM)頂端之上的實體位址，它才有作用。保留頁被鎖在記憶體裡(不會被換出到磁碟上) ，所以可以安全地映射到user-space;這項限制式系統穩定度的基本要求。 • 由於remap_page_range()沒有處理RAM的能力，這表示類似scullp那樣的裝置將難以作出自己的mmap ，因為其裝置記憶體是一般的RAM而非I/O memory。幸好，還是可以使用nopage作業方法。

  28. 15.2.6.1 使用nopage重新映射RAM(1/3) • 先看看有哪些設計抉擇會影響scullp的mmap: • 在裝置被映射之後，scullp就不釋放其裝置記憶體，而且不能像scull或類似裝置那樣，在被開啟成write模式時，裝置長度就被截為0；要避免釋放已映射的裝置，驅動程式必須自己計算有效的映射次數，scullp_device結構中的vmas欄位，可當此用途來使用。 • 只有在scullp的order參數值為0 ，才容許映射記憶體。因為get_free_pages()和free_pages()只修改串列中第一個空頁計次值。 • 要遵循上述規則來映射RAM的程式，需要實作出open、close和nopage，而且還必須存取記憶對應表，調整記憶頁的用量計次。

  29. 15.2.6.1 使用nopage重新映射RAM(2/3) • intscullp_mmap(struct file *filp, structvm_area_struct *vma) • { • structinode *inode = filp->f_dentry->d_inode; • /* 如果order不等於0，則拒絕映射 */ • if (scullp_devices[iminor(inode)].order) • return -ENODEV; • /* 這裡不作任何事。交給“nopage”搞定 */ • vma->vm_ops = &scullp_vm_ops; • vma->vm_flags |= VM_RESERVED; • vma->vm_private_data = filp->private_data; • scullp_vma_open(vma); • return 0; • }

  30. 15.2.6.1 使用nopage重新映射RAM(3/3) • void scullp_vma_open(structvm_area_struct *vma) • { • structscullp_dev*dev = vma->vm_private_data; • dev->vmas++; • } • void scullp_vma_close(structvm_area_struct *vma) • { • structscullp_dev*dev = vma->vm_private_data; • dev->vmas--; • }

  31. 15.3 直接I/O • 大部份的I/O作業，透過kernel-space的緩衝區做緩衝，某種程度上隔離了user-space與實際裝置。好處：讓程式比較好寫，提升效能。 • 但在傳輸大量資料時，讓user-space直接與裝置I/O做溝通反而會比較好。

  32. 15.3.1直接I/O的關鍵函式 • 在2.6版核心實作直接I/O的關鍵函式是 get_user_pages() intget_user_pages(structtask_struct *tsk,structmm_struct *mm, unsigned long start,intlen,int write,int force,struct page **pages, structvm_area_struct **vmas); • structtask_struct *tsk ：此指標指向要執行I/O的task_struct。 • structmm_struct *mm：此指標所指的mm_struct結構，是行程的虛擬位址空間的所有VMA。 • unsigned long start：user-space緩衝區的起始位址。 • intlen：該緩衝區的長度，以頁為計算單位。 • int write：若不是零，則要映射的記憶頁是供write存取之用。 • int force：要求 get_user_pages() 不理會指定記憶頁的保護旗標，對驅動程式應設為零。 • struct page **pages：page應該指向一個描述user-space緩衝區的struct page串列。 • structvm_area_struct **vmas ：vmas應含有相關的VMA的指標。 • get_user_pages() 的回傳值：是實際映射的記憶頁數量，此數量有可能少於要求的數量，但 至少會大於零。

  33. 15.3.2釋放記憶頁之前要做的事情 • 完成直接I/O作業之後，必須釋放user-space記憶頁。 • 1.檢查記憶頁是否為記憶體對應表中的保留部份，因為保留頁絕對不會被置換出去，可使用PageReserved()來檢查特定記憶頁。 • 非絕對必要：user-space記憶體都不是保留頁。 • 2.若改變了記憶頁內容，則使用SetPageDirty(struct page *page)；將記憶頁做標記，否則核心會直接釋放該記憶頁，而不寫回儲存裝置。 • 3.不管是否有改變記憶頁內容，都應將page從page cache釋放，這使用void page_cache_release(structpage *page)；

  34. 15.3.3非同步I/O • 非同步 I/O 讓 user-space 可發動 I/O 作業要求，而不必等待 I/O 作業完成，也就是說在 I/O 進行過程中，應用程式仍可以做其它事。對於複雜的高效率應用程式，非同步 I/O 可讓它們同時進行多項工作。 • 核心沒強制要求驅動程式必須提供非同步 I/O 的能力，也只有非常少數的驅動程式設計者需要考慮這項能力，因為這通常無助於裝置的傳輸效率。

  35. 15.4 直接記憶體存取(DMA) • DMA是一種硬體機制，讓周邊元件可以直接與主記憶體交換I/O資料，而不必經過系統處理器。 • 由於DMA是“硬體”機制，其設定程序完全隨系統架構而定。 • DMA機制可大幅提昇周邊裝置的資料吞吐量，同時減輕CPU的運算負擔。

  36. 15.4.1 DMA資料傳輸的流程(1/3) • 有兩種機會可觸發DMA資料傳輸:軟體主動要求，或周邊硬體主動將資料推入系統。 • 第一種情況（軟體觸發）所涉及的步驟: 1.當行程發出一次read()，驅動程式的read作業方法就配置一塊DMA緩衝區，並指示周邊硬體開始傳輸資料。行程會進入休眠狀態。 2.周邊硬體將資料寫到DMA緩衝區，在完成傳輸之後，對CPU發出一次中斷訊號。 3.ISR(中斷服務程式)收下輸入資料、回應中斷、然後喚醒行程，讓行程讀走資料。

  37. 15.4.1 DMA資料傳輸的流程(2/3) • 第二種情況，發生在DMA被當成非同步傳輸機制使用 時的步驟: 1.周邊硬體觸發一次中斷，讓系統處理器知道新資料 已經到達。 2.ISR配置一個緩衝區，並將該緩衝區的位置告訴周邊 硬體，使其知道資料應該傳送到何處。 3.周邊硬體將資料寫入指定的緩衝區，在完成傳輸之 後，觸發另一次中斷。 4.ISR將新資料存放在適當位置，喚醒任何相關行程， 並處理一些例行工作。

  38. 15.4.1 DMA資料傳輸的流程(3/3) • 網路卡與CPU之間通常是透過主記憶體上的一塊環型緩衝區(稱為DMA ring buffer)互相交換資料。 • 當網路卡從外界收到一個封包，就將它放入環型緩衝區裡的下一個空位，然後發出中斷通知。 • 驅動程式將網路封包傳給核心裡的其它部門，並將一個新的DMA空位放回環型緩衝區。 • 大多數驅動程式在初始期就預先配置好所需的緩衝區，並全程使用同一塊緩衝區，直到關閉時才予以釋放。

  39. 15.4.2 配置DMA緩衝區 • 並非所有記憶體都可以用來當成DMA緩衝區，因此要配置一塊適合DMA的緩衝區，不是隨意配置一塊普通記憶體就了事了。 • DMA緩衝區必須是實體記憶體上的連續頁，因為周邊裝置使用ISA或PCI匯流排來傳輸資料，而兩種匯流排都使用實體位址。 • 自助配置法: • 需靠核心的mem=開機期參數配合，如原有256M的記憶體，而你需要1MB記憶體來當DMA緩衝區使用，則可使用mem=255M參數要求核心將最高的1MB保留給你。保留記憶體的模組程式為: • dmabuf=ioremap(0x1f00000/* 255M*/ ,0x100000 /* 1M */)。 • 積極配置法: • 使用 GFP_NOFAIL 積極配置足夠的DMA緩衝空間；不過這應該被視為最後手段，除非其它所有辦法都無效，因為積極配置會導致沉重的系統負載，甚至可能鎖死系統。

  40. 15.4.3 匯流排位址 • 具有DMA能力的周邊硬體，其實是使用匯流排位址，而非實體位址。在x86 PC上，ISA與PCI匯流排的位址確實等於x86 CPU的實體位址，但並非所有平台都這樣，有些平台的介面匯流排是透過橋接電路連接在一起，它們的I/O位址被映射到不同的實體位址。 • 在最底層，Linux核心提供一套通用的解決方案，以下兩個函式: • unsigned long virt_to_bus(volatile void * address); • void *bus_to_virt(unsigned long address)； • 這兩個函式只是在虛擬位址與匯流排位址之間做轉換。通常不應該使用它們，因為它們僅適用於 I/O 架構非常簡單的平台，若是遇到有 I/OMMU 的平台就無能為力了。

  41. 15.4.4DMA抽象層 • 從驅動程式的觀點來看，DMA終究不過是配置一個緩衝區，並傳遞匯流排位置給裝置。 • 對於快取而言，如何保持快取的一致性，各家系統各有自己獨到的邏輯，若你的驅動程式沒能正確處理這方面的問題，可能會造成系統記憶錯亂。 • 並非所有系統的每一塊記憶體都可以配合DMA作業。例如:x86平台的高記憶體就不能當成DMA緩衝區。 • 核心提供了一個DMA抽象層，可跨越各種不同平台與匯流排之間的差異。

  42. 15.4.4.1 排除不支援的硬體 • 嘗試進行DMA作業之前，第一個要回答的問題是當時的平台是否支援目標裝置所需的DMA能力。 • 原則上核心假設裝置可在任何32-bit位址執行DMA作業，如果裝置不合這項假設，可以下列方式通知核心: intdma_set_mask (struct device *dev, u64 mask)； 其中mask代表目標裝置的定址空間的位元數。 假如驅動的是只有24-bit定址能力的ISA裝置: if (dma_set_mask (dev, 0xffffff)) card->use_dma=1； else { card->use_dma=0； printk (KERN_WARN, “mydev: DMA not supported\n”)； }

  43. 15.4.4.2DMA 對應 • 配置一個DMA緩衝區，並為該緩衝區產生一個可供裝置存取的位址，這兩個動作的組合就稱為 DMA 對應。 • 在PCI匯流排上的DMA對應被分成兩種類型，主要差別在於 DMA緩衝區的存活時間長短。這兩種對應模式如下: • 常態性DMA對應(coherent DMA mapping) • 若DMA緩衝區的生命期與驅動程式一樣長，就稱為常態性DMA對應。DMA緩衝區必須能夠同時被CPU與周邊使用，甚至應該被排除在快取機制之外，以免一方看不見另一方的更新。 • 臨時性DMA對應(streaming DMA mapping) • 為了單次DMA作業而臨時設置的DMA對應；這比較有彈性但必須遵守一些限制；建議盡可能使用臨時性對應基於兩項理由。首先，在配置對應暫存器的系統上，每組DMA對應都需要用掉一或多個暫存器，常態性對應會長期佔用這些暫存器；其次，有不少硬體平台特地針對臨時性對應做了最佳化，這些最佳化措施不能運行在常態性對應。

  44. 15.4.4.3 設定常態性DMA對應 • 驅動程式可呼叫dma_alloc_coherent() 來設定一組常態性的DMA對應，此函式包辦了緩衝區的配置與對應工作。 void *dma_alloc_coherent(struct device *dev, size_tsize, dma_addr_t *dma_handle, int flag)； • dma_alloc_coherent() 內部使用 get_free_pages() 來配置指定的記憶空間，以便得到可以配置 DMA 作業的緩衝區；flag通常是設定為 GFP_KERNEL(可能會休眠)或 GFP_ATOMIC(絕不會休眠)。 • 當不再需要緩衝區時(通常是在卸載模組時，就應該盡快使用dma_free_coherent() 將緩衝區還給系統，此函式需同時提供CPU位址與匯流排位址。 void dma_free_coherent(struct device *dev, size_t size, void *vaddr, dma_addr_tdma_handle)；

  45. 15.4.4.4 設定臨時性DMA對應(1/3) • 臨時性 DMA 對應的軟體介面稍微複雜些，因為驅動程式自己得事先配置好緩衝區，並處理它們所沒選擇的位址。在某些平台上，臨時性對應甚至接受多個不連續的記憶頁。 • 設定臨性對應時，必須讓核心知道資料的移動方向，方向是以 enumdma_data_direction 型別的符號來描述，如下: • DMA_TO_DEVICE 如果是要將資料傳送到裝置上(為了回應 write() 系統呼叫)。 • DMA_FROM_DEVICE 如果是要將資料傳送到裝置上(為了回應 read() 系統呼叫)。 • DMA_BIDIRECTIONAL 表示如果容許資料雙向移動。 • DMA_NONE 供除錯用途。 • 當你只有一個緩衝區要傳輸，可使用 dma_map_single() 來將該緩衝區映射到裝置定址空間。 • dma_addr_tdma_map_single(struct device *dev, void *buffer, size_tsize, enumdma_data_direction direction)； • 傳回值是可以傳給目標裝置的匯流排位址。如果映射失敗，則會傳回 NULL。 • 完成傳輸之後，應該立刻使用 pci_unmap_single() 來解除對應。 • void pci_unmap_single(structpci_dev *pdev,dma_addr_tbus_addr,size_tsize,intdirection)； • 這裡的 size 和 direction 引數，必須符合當初映射緩衝區時所用的引數值。

  46. 15.4.4.4 設定臨時性DMA對應(2/3) • 臨時性 DMA 對應必須遵守三點重要法則: • 緩衝區的使用，必須符合映射時所設定的傳輸方向。 • 在緩衝區映射到匯流排位址之後，就屬於裝置，而非處理器。在解除對應之前，驅動程式不能以任何方式接觸緩衝區。只有在呼叫 dma_unmap_single() 之後，驅動程式才能安全存取緩衝區的內容。這意味著你必須先將要寫入裝置的資料放在緩衝區，然後才能映射它。 • 在DMA動作期間，不能解除對應，否則保證系統一定會嚴重錯亂。 • 為何驅動程式不能接觸已被對應的緩衝區？有兩項原因，第一，如果要輸出資料到裝置上，核心必須確保要放在DMA緩衝區的資料，已經確實全數寫入記憶體；第二，如果被映射的緩衝區位於周邊裝置無法存取的區域時，某些平台會直接讓DMA作業失敗，而其它平台則可能會建立一個轉進緩衝區(bounce buffer)，轉進緩衝區只是另一塊裝置可以存取的記憶區。

  47. 15.4.4.4 設定臨時性DMA對應(3/3) • 偶爾，驅動程式需要在解除對應之前，先存取臨時 DMA 緩衝區的內容，可用以下函式: • void dma_sync_single_for_cpu(struct device *dev, dma_handle_tbus_addr, size_tsize, enumdma_data_direction direction)； • 此函式的呼叫時機，必須在處理器存取 DMA_FROM_DEVICE 緩衝區之前。一旦此函式 返回，CPU就全權擁有 DMA 緩衝區了。 • 在裝置存取 DMA 緩衝區之前，必須將所有權轉移回去: void dma_sync_single_for_device(structdevice *dev, dma_handle_tbus_addr, size_t size, enumdma_data_direction direction)； 呼叫了 void dma_sync_single_for_device() 函式之後，CPU就不應該碰觸 DMA 緩衝區了。

  48. 15.4.4.5 臨時性的單頁對應 • 偶爾，可能會想要將 DMA 緩衝區映射到一個已有其 struct page 指標的記憶頁；比如當想要讓裝置直接將資料傳輸到一個用 get_user_page () 所取得的 user-space 暫存區時，就會有這樣的需要。 • 要讓 DMA 緩衝區暫時映射到 struct page 指標所指的記憶頁，可用下列函式: dma_addr_tdma_map_page(structdevice *dev, struct page *page, unsigned long offset, size_t size, enumdma_data_direction direction)； • 下列函式可解除對應關係: void dma_unmap_page(structdevice *dev, dma_addr_tdma_address, size_t size, enumdma_data_direction direction)； • offset 與 size 引數可用來縮限映射範圍，不過應該盡量避免不滿一頁的映射。當映射範圍不滿一個記憶頁時，而配置範圍只包含部份的快取線，就有可能導致快取失調的問題，進而導致記憶錯亂。

  49. Demo(1/8)

  50. Demo(2/8)

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