Linux动态DMA映射

1. 几种地址类型

虚拟地址

　　Linux内核使用的地址是虚拟地址，数据类型为void *。例如，kmalloc()和vmalloc()函数返回值就是虚拟地址。

物理地址

　　处理器真实地址总线上的地址，数据类型为phys_addr_t。

　　对I/O设备寄存器和内存统一编址的处理器，如ARM/PowerPC，参考手册一般会给出memory map，也就是各种I/O设备的寄存器在物理地址空间的分布。对I/O设备寄存器独立编址的处理器。如X86，访问I/O设备寄存器或内存时，向地址总线发送地址，并通过控制信号来实现对I/O设备寄存器和内存的不同寻址。这些I/O设备寄存器的地址可以在/proc/iomem中查看，必须使用ioremap()映射到虚拟地址空间才可以使用。

总线地址

　　从I/O设备的角度看，I/O设备使用的地址是总线地址。DMA使用地址也是总线地址，数据类型为dma_addr_t。对一些简单的系统，设备通过DMA可以直接访问物理地址，但大多数系统都有IOMMU将总线地址转换为物理地址。

2. DMA寻址能力

　　默认情况下Linux认为设备DMA可以进行32位寻址。必须对DMA mask进行设置，将设备的DMA寻址能力通知内核。

int dma_set_mask_and_coherent(struct device *dev, u64 mask)

　　该函数也可以分为如下两个函数，如果有需要，可以分别对流式映射设置DMA mask，对一致性分配设置DMA mask。

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

3. DMA映射的类型

3.1 一致性DMA映射

　　一致性DMA映射通常在驱动初始化阶段分配buffer，并且保持cache的一致性。分配和释放一致性DMA buffer通常使用下面方法。

dma_addr_t dma_handle;
cpu_addr = dma_alloc_coherent(dev, size, &dma_handle, gfp);

dma_free_coherent(dev, size, cpu_addr, dma_handle)

　　当分配的buffer较小，小于一个页的时候，通常使用dma_pool的APIs。

struct dma_pool *pool;
pool = dma_pool_create(name, dev, size, align, boundary);
cpu_addr = dma_pool_alloc(pool, flags, &dma_handle);

dma_pool_free(pool, cpu_addr, dma_handle);
dma_pool_destroy(pool)

3.2 流式DMA映射

　　流式DMA映射必须声明DMA数据流的方向。

• DMA_BIDIRECTIONAL
• DMA_TO_DEVICE
• DMA_FROM_DEVICE
• DMA_NONE

　　对单个内存区域的映射和取消映射使用如下方法。

struct device *dev = &my_dev->dev;
dma_addr_t dma_handle;
void *addr = buffer->ptr;
size_t size = buffer->len;

dma_handle = dma_map_single(dev, addr, size, direction);

dma_unmap_single(dev, dma_handle, size, direction);

　　该方法直接使用虚拟地址addr的缺点就是不能对HIGHMEM内存进行映射。下面的函数提供对page映射和取消映射的方法。

struct device *dev = &my_dev->dev;
dma_addr_t dma_handle;
struct page *page = buffer->page;
unsigned long offset = buffer->offset;
size_t size = buffer->len;

dma_handle = dma_map_page(dev, page, offset, size, direction);

dma_unmap_page(dev, dma_handle, size, direction);

　　对散列表的映射和取消映射如下，nents是sglist中entry的数目。通过散列表，将多个不连续的内存区域进行映射。返回的count的数值可能比nents小，因为有些scatterlist在内存区域连续可能进行了合并。

int i, count = dma_map_sg(dev, sglist, nents, direction);
struct scatterlist *sg;

for_each_sg(sglist, sg, count, i) {
    hw_address[i] = sg_dma_address(sg);
    hw_len[i] = sg_dma_len(sg);
}

dma_unmap_sg(dev, sglist, nents, direction)

　　在流式DMA映射取消映射之前，CPU不应该访问DMA buffer，如果需要访问，则必须在DMA传输后相应地调用如下函数。

dma_sync_single_for_cpu(dev, dma_handle, size, direction);

dma_sync_sg_for_cpu(dev, sglist, nents, direction);

　　CPU访问结束后，将buffer还给设备DMA使用时，需要相应调用如下函数。

dma_sync_single_for_device(dev, dma_handle, size, direction);

dma_sync_sg_for_device(dev, sglist, nents, direction);

参考

https://elixir.bootlin.com/linux/v5.4/source/Documentation/DMA-API-HOWTO.txt