linux dma cache

說到DMA，就會想到Cache，兩者本身似乎是好不相關的事物。的確，假設DMA針對內存的目的地址和Cache緩存的對象沒有重疊區域，DMA和Cache之間就相安無事，但是，如果有重疊呢，經過DMA操作，Cache緩存對應的內存的數據已經被修改，而CPU本身并不知道，它仍然認為Cache中的數據仍然還是內存中的數據，以后訪問Cache映射的內存時，它仍然使用陳舊的Cache數據，這就會發生Cache與內存之間數據不一致性的錯誤。一旦出現這樣的情況，沒有處理好，驅動就將無法正常運行。那么怎樣解決呢？最簡單的方法是直接禁止DMA目標地址范圍內內存的Cache功能，當然這是犧牲性能的，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。 其實啊，Cache不一致的情況在其他地方也是可能發生的，比如，對于帶MMU功能的arm處理器，在開啟MMU之前，需要設置Cache無效，TLB也是如此。

說了，那么多DMA理論的東西，剩下的來點Linux下DMA編程的東西，當然，這里也是點一下，具體怎么操作，我可要賣個關子到下節了。 在內存中用于與外設交互數據的一塊區域被稱作DMA緩沖區，在設備不支持scatter/gatherCSG,分散/聚集操作的情況下，DMA緩沖區必須是物理上聯系的。

對于ISA設備而言，其DMA操作只能在16MB以下的內存進行，因此，在使用kmalloc（）和__get_free_pages（）及其類似函數申請DMA緩沖區時應使用GFP_DMA標志，這樣能保證獲得的內存是具備DMA能力的。內核中定義了__get_free_pages（）針對DMA的快捷方式__get_dma_pages（），它在申請標志中添加了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為參數的申請DMA內存，感覺就是怪怪的，那咋辦？

那？這樣吧，你就用另外一個函數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

return __get_dma_pages（GFP_KERNEL, order）；

}

上節我們說到了dma_mem_alloc（）函數，需要說明的是DMA的硬件使用總線地址而非物理地址，總線地址是從設備角度上看到的內存地址，物理地址是從CPU角度上看到的未經轉換的內存地址（經過轉換的那叫虛擬地址）。在PC上，對于ISA和PCI而言，總線即為物理地址，但并非每個平臺都是如此。由于有時候接口總線是通過橋接電路被連接，橋接電路會將IO地址映射為不同的物理地址。例如，在PRep（PowerPC Reference Platform）系統中，物理地址0在設備端看起來是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,總線地址0x80000000及虛擬地址0xC0000000,還有一些系統提供了頁面映射機制，它能將任意的頁面映射為連續的外設總線地址。內核提供了如下函數用于進行簡單的虛擬地址/總線地址轉換：

unsigned long virt_to_bus（volatile void *address）；

void *bus_to_virt（unsigned long address）；

在使用IOMMU或反彈緩沖區的情況下，上述函數一般不會正常工作。而且，這兩個函數并不建議使用。

需要說明的是設備不一定能在所有的內存地址上執行DMA操作，在這種情況下應該通過下列函數執行DMA地址掩碼：

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

比如，對于只能在24位地址上執行DMA操作的設備而言，就應該調用dma_set_mask（dev, 0xffffffff）。DMA映射包括兩個方面的工作：分配一片DMA緩沖區；為這片緩沖區產生設備可訪問的地址。結合前面所講的，DMA映射必須考慮Cache一致性問題。內核中提供了一下函數用于分配一個DMA一致性的內存區域：

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

這個函數的返回值為申請到的DMA緩沖區的虛擬地址。此外，該函數還通過參數handle返回DMA緩沖區的總線地址。與之對應的釋放函數為：

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

以下函數用于分配一個寫合并（writecombinbing）的DMA緩沖區：

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

與之對應的是釋放函數：dma_free_writecombine（），它其實就是dma_free_conherent,只不過是用了#define重命名而已。

此外，Linux內核還提供了PCI設備申請DMA緩沖區的函數pci_alloc_consistent（），原型為：

void *pci_alloc_consistent（struct pci_dev *dev, size_t size, dma_addr_t *dma_addrp）； 對應的釋放函數為：

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

相對于一致性DMA映射而言，流式DMA映射的接口較為復雜。對于單個已經分配的緩沖區而言，使用dma_map_single（）可實現流式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，返回的是總線地址，否則返回NULL.最后一個參數DMA的方向，可能取DMA_TO_DEVICE, DMA_FORM_DEVICE, DMA_BIDIRECTIONAL和DMA_NONE;

與之對應的反函數是：

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，設備驅動不應該訪問unmap（）的流式DMA緩沖區，如果你說我就愿意這么做，我又說寫什么呢，選擇了權利，就選擇了責任，對吧。這時可先使用如下函數獲得DMA緩沖區的擁有權：

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

在驅動訪問完DMA緩沖區后，應該將其所有權還給設備，通過下面的函數：