内存DMA及设备内存控制详解

序言

对于PCIe 设备（PCIe Endpoint）来说，其和CPU CORE、DRAM 的交互，主要涉及两种类型的内存访问：

1. 设备内存访问：PCIe 设备的 Device Memory（设备内存）的访问，例如CPU 需要读写配置 PCIe 网卡或显卡的 寄存器（设备内存）。发起者是CPU，响应者是设备。
2. DMA内存访问：PCIe 设备需要 DMA 读写 主机的 DRAM 内存，例如 网卡收到数据报文后，需要将其上报主机，则通过 PCIe Endpoint 中的 DMA 控制器 进行 DMA 写 主机的 DRAM 内存。发起者是设备DMA控制器，响应者主机内存DRAM，不需要CPU的参与。

以CPU CORE 发起设备内存读访问为例。从上图的左侧开始，CPU CORE 执行程序指令时，发出内存读写访问的地址是虚拟地址，接着MMU（内存管理单元或称为地址翻译单元更好） 将该虚拟地址转换为物理地址。如果物理地址访问的数据不在Cache中，则通过 Root Complex 中的 host bridge，将物理地址转换为总线地址，最后基于总线地址访问设备内存空间（Device Memory）。本文将基于上图的计算机系统架构，追本溯源，详细的解释设备内存 和 DMA内存 的访问细节。

重要概念

对于本文架构图中涉及的主要概念解释如下，如果不想被概念搞晕，建议暂时滤过，等不清楚时再回查即可。

System Bus：系统总线，用于CPU Package 内部子系统之间的连接，例如连接L3 Cache 和 Root Complex。

Cache：X86 的 Cache 通常分为三级，各个CPU CORE 有自己的 L1和L2 Cache，所有CPU CORE 共享 L3 Cache。Intel I7 L3 为 8MB，L2 256KB，L1 共64KB，所以Cache Size从 L1 到L3是递增。对于程序指令或数据都可以加载到Cache，加载的单位是 Cache Line，通常为 64B。

Root Complex：其中包括了两个重要组件，一个是 PCIe Root Bridge，通常称为 Host Bridge，其 Bus：Device. Function 为 00:00.0；另一个是 iommu，其用于将设备（如PCIe Endpoint 网卡）发起DMA读写DRAM使用的总线地址，转换为DRAM内存的 物理地址。

Memory Controller：DRMA 内存控制器，通常包含在CPU package 中，用于控制对内存的访问。

PCIe bus：PCIe 总线，用于连接 Host Bridge 到 PCIe Switch，PCIe Bridge 以及 PCIe Endpoint。

DMA Controller：DMA 控制器，其通常位于 PCIe Endpoint 内，用于设备对 DRAM 中数据进行 ”DMA 读”或“DMA 写”。

Device Memory：设备内存，用于对设备进行控制，如配置设备、获取设备状态等；在系统对PCIe 总线进行深度优先扫描时，会根据设备的 Bar 空间大小（Device Memory Size，如下面的网卡例如，Bar 0，2，4 Size 分别为64K，1M，8K），分配 iomem 中映射的物理地址，下文会提到 iomem 的细节。

内存访问

如前面所所述，计算机内部主要涉及两种内存访问。一种是 物理内存DRAM，另一种是 设备内存（如网卡，显卡等PCIe设备）。

内存访问方向

以上两种类型内存的访问，主要包括上图中三个方向：

1. CPU -> DRAM: 从CPU 读写物理内存中的数据或程序指令；
2. Device DMA -> DRAM: 设备的DMA 控制器发出针对DRAM的 DMA 读写，例如网卡从物理内存中DMA读取数据包进行发包。
3. CPU -> Device Memory: 主机CPU 发出针对设备的读写，例如主机需要初始化设置显卡寄存器，让其开始工作。

内存访问过程

A. CPU访问物理内存（CPU -> DRAM）

1. CPU使用虚拟地址发出内存读写请求
2. MMU将虚拟地址转为DRAM的物理地址
3. 如果访问数据的物理地址在Cache 有缓存数据，则直接从Cache 读取即可
4. 如果Cache 中没有缓存，则通过内存控制器，访问DRMA（当然这涉及到页表的管理，不在本文的讨论范围），如果有兴趣，强烈建议深入阅读《深入理解计算机系统》

B. 设备访问物理内存（Device DMA -> DRAM）

1. 外设使用总线地址，发起针对DRAM的DMA读写访问
2. IOMMU负责将总线地址转为物理地址
3. 通过内存控制器，访问DRMA

C. 设备内存访问（CPU -> Device Memory）

1. CPU使用虚拟地址发出内存读写请求
2. MMU将虚拟地址转为设备内存的物理地址（通过 cat /proc/iomem 可以查看到）
3. Host Bridge 将物理地址转为总线地址
4. 通过PCIe总线寻址到设备，并进行设备内存读写

总结：访问物理内存时，可以认为 虚拟地址 和 总线地址 都是Virtual的地址，都需要通过一个地址转换硬件（CPU侧是MMU，device侧是IOMMU），将虚拟地址转换为物理内存DRAM的实际物理地址。而访问设备内存时，通过Host Bridge将物理地址转换为设备内存的总线地址。

地址空间

虚拟地址：CPU Virtual Address Space（VA）

虚拟地址 被主机CPU用于访问物理内存，或者设备（PCIe EP Device)的 Bar 空间的内存（寄存器）。每个进程都有相同的虚拟地址空间（例如32位Linux系统，最大支持4G的地址空间，但只有高地址3GB用于进程的虚拟地址空间，低地址或顶端的1G给内核使用）。CPU执行指令访问内存使用的地址是虚拟地址，然后通过MMU、TLB 及 Page Tables 将虚拟地址转换为内存的物理地址。

物理地址：CPU Physical Address Space（PA）

我们可以认为物理地址空间，就是所有硬件的内存映射空间（MMIO- memory map I/O）。可将物理内存RAM看成一种特殊的MMIO空间。OS在给硬件设备编址时，其会看到物理内存 以及设备内存（通过PCIe Bar 空间映射的设备寄存器），所以进行了统一的物理地址的编址。如下，低地址给RAM使用，而PCI 设备内存通常位于高地址。

物理地址空间的编址 可以通过 cat /proc/iomem 查看：

[root@node2 ~]# cat /proc/iomem
00000000-00000fff : Reserved
00001000-0005cfff : System RAM   // System RAM：物理内存
0005d000-0005dfff : Reserved
0005e000-0009ffff : System RAM
......
00100000-3fffffff : System RAM         // Kernel Space
  01000000-01c00ea0 : Kernel code
  01e00000-02214fff : Kernel rodata
  02400000-026294bf : Kernel data
  02893000-02bfffff : Kernel bss
......
8f800000-dfffffff : PCI Bus 0000:00   // PCI Root Bridge Bus 0 下挂PCIe 设备内存的总大小
  8f800000-8f9fffff : PCI Bus 0000:02
  8fa00000-8fbfffff : PCI Bus 0000:02
  8fc00000-8fdfffff : PCI Bus 0000:04
  8fe00000-8fffffff : PCI Bus 0000:04
  90000000-9fffffff : 0000:00:02.0
    90000000-902fffff : BOOTFB
  a0000000-a02fffff : PCI Bus 0000:01  // PCIe bus 01 下挂PCIe 设备内存的总大小
    a0000000-a00fffff : 0000:01:00.1   // PCIe 网卡 Bar 2 空间（设备内存）映射的物理内存
      a0000000-a00fffff : bnxt_en
    a0100000-a01fffff : 0000:01:00.0
      a0100000-a01fffff : bnxt_en
    a0200000-a020ffff : 0000:01:00.1  // PCIe 网卡 Bar 0 空间（设备内存）映射的物理内存
      a0200000-a020ffff : bnxt_en
    a0210000-a021ffff : 0000:01:00.0
      a0210000-a021ffff : bnxt_en
    a0220000-a0221fff : 0000:01:00.1  // PCIe 网卡 Bar 1 空间（设备内存）映射的物理内存
      a0220000-a0221fff : bnxt_en
    a0222000-a0223fff : 0000:01:00.0
      a0222000-a0223fff : bnxt_en
    a0224000-a0243fff : 0000:01:00.1
    a0244000-a0263fff : 0000:01:00.1

在作者使用这台主机上，物理地址范围 a0000000-a02fffff 对应: PCI Bus 0000:01。该Bus位于PCI Bridge 和 PCI Endpoint之间（可以回到文章开始的图查看），所以可以通过命令 （ lspci -s 00:01.0 -vvv ）查看到 Bus 上一级 Bridge 的信息，得到Bridge下挂设备的总地址空间，即下图中可以被CPU访问预取的 Memory 范围：00000000a0000000-00000000a02fffff

而在该PCI Bridge下，下挂PCIe Endpoint的其中一个Function（01:00.1），其 Bar2 对应物理地址范围：a0000000-a00fffff : 0000:01:00.1（Bus:Device.Function)，即为 PCIe 网卡 Bar 2（下图Region 2）空间（设备内存）映射的物理地址空间。

总线地址：Bus Address Space（BA）

总线地址是为 终端设备读写DMA 内存 或者 主机读写设备配置空间（PCIe Bar）使用的总线地址空间的地址（PCI 总线）。

我们在调用【dma = dma_map_single(device, buf, size, DMA_TO_DEVICE)】，将数据 buf（虚拟地址） 建立 dma地址映射给device 访问时，返回的类型为 dma_addr_t 的 dma 地址，就是 bus address。该地址可以传给设备用于DMA的物理内存数据读取。

在一些系统中，总线地址和物理地址是一样的（我们可以调用 phy = virt_to_phys(buf) 得到虚拟地址buf 对应的物理地址 phy， 确认 phy 和 dma 地址是否相同）。Host Bridge和 IOMMU可以实现 物理地址和总线地址的任意映射。

注意：从设备的角度，不管是访问设备内存，或者设备发起DMA读写，都是使用的总线地址。

访问过程详解

CPU 读取设备内存

首先，CPU需要通过ioremap，将虚拟地址A映射到物理地址空间 MMIO 中物理机地址B；

然后，CPU发起 ioread、iowrite 请求，发起时用的虚拟地址C，接着MMU转换为物理地址B；

最后，PCIe Host Bridge 将物理地址B转换为总线地址A，通过总线地址A对Bar空间进行读写。

注意：对Bar Register 的读写基于 PCIe的 Configuration TLP 操作。

代码示例：

/* CPU ioremap */
struct pci_dev *pdev;
u8 __iomem *hw_addr = ioremap(pci_resource_start(pdev, 0),
			      pci_resource_len(pdev, 0));

u32 val = 10;
u32 reg_offset = 0;
/* 将 10 写入hw_addr[reg_offset] */
writel(val, &hw_addr[reg_offset]);
value = readl(&hw_addr[reg]);

Device DAM 访问物理内存

首先，CPU基于虚拟机地址X，通过MMU，将数据写入物理地址Y对应的 物理内存中；

然后，CPU 调用如dma_map_single 这样的API，将总线地址Z 映射到 虚拟地址X和物理地址Y。

最后，Device 通过总线地址Z，发出DMA读请求（PCIe Memeory Read），接着IOMMU将总线地址翻译为物理地址Y 去 读写物理内存 DMA Buffer.

编程示例：

struct device *dev;		/* device for DMA mapping */
struct sk_buff *skb；
dma = dma_map_single(dev, skb->data, size, DMA_TO_DEVICE);
/* tx_desc 是网卡发包时用到的描述符，
  * 硬件设备可以通过DMA 访问到描述符绑定的dma地址，然后硬件可以基于该DMA地址发起内存访问
  */
tx_desc->read.buffer_addr = cpu_to_le64(dma);

DMA映射编程

常用的DMA映射有两种类型，一种是一致性DMA映射（consistent DMA mapping）；另一种是流式DMA映射（streaming DMA mapping）。理解这两种常用的 DMA映射类型，是编程的基础。

一致性DMA映射

一致性DMA 映射关闭了 L1/L2/L3 Cache。首先，当 CPU 写入数据时，则会直接放入内存，而不会在Cache进行缓存，所以设备可以立即DMA读取到CPU写入的数据；其次，当设备DMA写入数据到内存后，则CPU可以立即读取到该变化的数据，而不会读取Cache中的脏数据，因为Cache关闭了。

Consistent DMA mapping的常用场景：

1. 网卡驱动程序 和 网卡DMA控制器往往是通过内存中的一些描述符（形成环）进行交互（描述符中包括收发数据包用到的大块DMA内存地址），这些保存描述符的memory，需要被主机CPU和网卡DMA控制器频繁的读写，并且在任何一端写，都需要另一端立即可以访问到，所以通常采用Consistent DMA mapping比较方便。

2. SCSI硬件适配器上的DMA 与 主存中的一些数据结构（mailbox command）进行交互，这些保存mailbox command的memory一般采用Consistent DMA mapping。

代码示例

如下调用 dma_alloc_coherent 分配一块一致性DMA内存（取自intel ixgbe驱动 linux-4.18.0-348\drivers\net\ethernet\intel\ixgbe\ixgbe.h & linux-4.18.0-348\drivers\net\ethernet\intel\ixgbe\ixgbe_main.c）：

struct ixgbe_ring {
	struct device *dev;		/* device for DMA mapping */
	void *desc;			/* descriptor ring memory */
	dma_addr_t dma;			/* phys. address of descriptor ring */
	unsigned int size;		/* length in bytes */
	u16 count;			/* amount of descriptors */
}
/**
 * ixgbe_setup_tx_resources - allocate Tx resources (Descriptors)
 * @tx_ring:    tx descriptor ring (for a specific queue) to setup
 *
 * Return 0 on success, negative on failure
 **/
int ixgbe_setup_tx_resources(struct ixgbe_ring *tx_ring)
{
       struct device *dev = tx_ring->dev;
        // 返回是 DMA地址 对应的虚拟地址 （tx_ring->desc）
 	tx_ring->desc = dma_alloc_coherent(dev,  // 进行DMA映射的PCI设备对应的device
					   tx_ring->size,   // 描述符环对应的总大小（bytes）
					   &tx_ring->dma,  // 输出：DMA 地址
					   GFP_KERNEL);
...
}

参考内核 Document/core-api/dma-api.rst

void *
dma_alloc_coherent(struct device *dev, size_t size,
                   dma_addr_t *dma_handle, gfp_t flag)

Consistent memory is memory for which a write by either the device or 
the processor can immediately be read by the processor or device
without having to worry about caching effects.

流式DMA映射

因为一致性DMA关闭了Cache，虽然使用带来了方便，但是会牺牲数据读写的性能。例如Intel当前的CPU package，支持在 PCIe Endpoint DMA 访问内存时，将数据放入到L3 Cache，然后DMA 控制器从L3 Cache 读取数据（这是对我们DMA控制器直接访问DRAM内存常识的挑战）。而这些硬件的优化，在使用流式DMA影射时，可以充分发挥性能的优势。

streaming DMA mapping的常用场景：

1. 网卡进行数据传输使用的DMA buffer，发送数据是，主机准备好DMA Buffer，由硬件DMA读取；接受数据时，也是主机准备好DMA Buffer，由硬件DMA 写入接受到的数据。
2. 文件系统中的各种数据buffer，这些buffer中的数据最终要被读写到SCSI设备上去

代码示例1

如下dma_map_single 将 虚拟地址 skb->data 指向的内存，映射到dma 总线地址上，然后将dma 地址写入描述符给硬件DMA读取 skb->data 指向的内存数据。

需要注意的是，skb->data 指向的数据区域需要是连续物理内存。内核采用带k字的分配函数（如kmalloc）即得到连续的物理内存，而使用v开头的分配函数，如vmalloc，则不能保证。

struct device *dev;		/* device for DMA mapping */
struct sk_buff *skb；
dma = dma_map_single(dev, skb->data, size, DMA_TO_DEVICE);
/* tx_desc 是网卡发包时用到的描述符，
  * 硬件设备可以通过DMA 访问到描述符绑定的dma地址，然后硬件可以基于该DMA地址发起内存访问
  */
tx_desc->read.buffer_addr = cpu_to_le64(dma);

代码示例2

如下调用dev_alloc_pages 分配一个page，再调用 dma_map_page_attrs 将该页映射dma 地址，最后调用dma_sync_single_range_for_device 将页面的数据同步给设备访问：

	struct page *page;
	dma_addr_t dma;
        struct device *dev;		/* device for DMA mapping */
        int page_size = PAGE_SIZE;
	/* alloc new page for storage */
	page = dev_alloc_pages(0);

	/* map page for use */
	dma = dma_map_page_attrs(dev, page, 0,
				 page_size,
				 DMA_FROM_DEVICE,
				 DMA_ATTR_SKIP_CPU_SYNC);

	/* sync the buffer for use by the device */
	dma_sync_single_range_for_device(dev, dma,
					 0, page_size,
					 DMA_FROM_DEVICE);
 

总结

本文结合计算机系统的架构，我们从内存访问的角度，介绍了各种地址空间（虚拟、物理、总线）的概念。以及物理内存和设备内存访问三个方向（CPU->DRAM, CPU -> Device Memory, Device DMA -> DRAM)。最后介绍了DMA 映射编程常用的方法，如果觉得不过瘾，建议继续研究作者参考的内核 Document。

参考

1，linux-4.18.0-348/Document/core-api/dma-api-howto.rst

2，linux-4.18.0-348/Document/core-api/dma-api.rst