内存映射和DMA

本文根据《Linux设备驱动程序》整理而来。

 

Linux使用的地址类型：
1、用户虚拟地址：用户空间看到的常规地址
2、物理地址：处理器和系统内存之间使用，是CPU的地址信号线上产生的地址
3、总线地址：在外围总线和内存之间使用
4、内核逻辑地址：内核的常规地址空间，与物理地址之间存在一个固定的偏移
5、内核虚拟地址：内核虚拟地址与物理地址的映射不必是线性的。

一、DMA

DMA是一种硬件机制，它允许外围设备和主内存之间直接传输它们的I/O数据。基于DMA的硬件使用总线地址。

缓存cache一致性问题
现代处理器为了提升系统性能在CPU和RAM之间加了高速缓存cache。
如果RAM与外设之前的一次数据交换改变了RAM中DMA缓冲区的内容，
而这时cache中的数据没有更新，那么CPU去读外设传到DMA缓冲区的
数据时，它就直接读cache，数据就出现了不一致。

在x86平台上由硬件来保证cache一致性，在ARM上由软件来实现，在相关的平台代码里已经解决了，直接调用即可。
1、一致性DMA映射
void *dma_alloc_coherent(struct device *dev, size_t size, dma_addr_t *dma_handle, gfp_t  gfp);
返回值为映射的DMA缓冲区的虚拟地址，dma_handle里带回DMA缓冲区的总线地址（DMA地址）

2、流式DMA映射
dma_addr_t dma_map_single(struct device *dev, void *ptr, size_t size, enum dma_data_direction dir)；

函数返回值dma_addr_t是DMA地址，DMA传输通道使用的缓冲区往往不是当前驱动程序本身分配的，而是每次DMA传输时重新建立的一个流式映射缓冲区。在使用dma_map_single对某一虚拟地址作流式映射时，必须保证虚拟地址是由kmalloc获得的（地址位于线性映射区）内存。

 

二、内存映射

        内存映射主要是将设备的地址空间映射到用户空间，mmap就是将用户空间的一段虚拟地址映射到设备的IO空间。（iorempa：将vmalloc区的某段虚拟内存块映射到I/O空间）mmap 的另一个限制是映射粒度是 PAGE_SIZE， 内核可以管理虚拟地址只在页表一级， 因此， 被映射区必须是 PAGE_SIZE 的整数倍并且必须位于是 PAGE_SIZE 整数倍开始的物理地址。

        系统调用如下一样被声明：

        mmap (caddr_t addr, size_t len, int prot, int flags, int fd, off_t offset)

        文件操作声明如下:

        int (*mmap) (struct file *filp, struct vm_area_struct *vma)

        为实现 mmap, 驱动只要建立合适的页表给这个地址范围, 并且, 如果需要, 用新的操作集合替换 vma->vm_ops。有 2 个建立页表的方法:调用 remap_pfn_range 一次完成全部, 或者一次一页通过 nopage VMA 方法. 每个方法有它的优点和限制。

        如果驱动程序要将设备内存线性地映射到用户地址空，只需要调用 remap_pfn_range就可以了。

1、remap_pfn_range
        建立新页表来映射物理地址的工作由 remap_pfn_range 和 io_remap_page_range 来处理, 它们有下面的原型:

        int remap_pfn_range(struct vm_area_struct *vma, unsigned long virt_addr, unsigned long pfn, unsigned long size, pgprot_t prot);
        int io_remap_page_range(struct vm_area_struct *vma, unsigned long virt_addr, unsigned long phys_addr, unsigned long size, pgprot_t prot);

        各参数含义如下：

        vma：页范围被映射到的虚拟内存区。

        virt_addr：重新映射应当开始的用户虚拟地址。这个函数建立页表为这个虚拟地址范围从 virt_addr 到 virt_addr_size.

       pfn：页帧号, 对应虚拟地址应当被映射的物理地址， 这个页帧号简单地将物理地址右移 PAGE_SHIFT 位。对大部分使用 VMA 结构的 vm_paoff 成员正好包含你需要的值。这个函数影响物理地址从 (pfn<

       size：正在被重新映射的区的大小，以字节为单位。

       prot：给新 VMA 要求的"protection"， 驱动可(并且应当)使用在 vma->vm_page_prot 中找到的值。

2、重映射特定IO区域的例子
       对起始物理地址 simple_region_start，大小为 simple_region_size 字节的区域进行映射的过程：

       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; /* spans too high */
       remap_pfn_range(vma, vma_>vm_start, physical, vsize, vma->vm_page_prot);

除了计算偏移, 这个代码引入了一个检查来报告一个错误当程序试图映射超过在目标设备的 I/O 区可用的内存. 在这个代码中, psize 是已指定了偏移后剩下的物理 I/O 大小, 并且 vsize 是虚拟内存请求的大小， 这个函数拒绝映射超出允许的内存范围的地址。

3、参数vm_pgoff

        unsigned long vm_pgoff;         文件中该内存区域的偏移, 以页计， 当一个文件和设备被映射, 这是映射在这个区的第一页的文件位置。