ION概念

chipset: MSM8X25Q

codebase: Android 4.1


ION概念:

 ION是Google的下一代内存管理器,用来支持不同的内存分配机制,如CARVOUT(PMEM),物理连续内存(kmalloc), 虚拟地址连续但物理不连续内存(vmalloc), IOMMU等。

用户空间和内核空间都可以使用ION,用户空间是通过/dev/ion来创建client的。

说到client, 顺便看下ION相关比较重要的几个概念。

 Heap: 用来表示内存分配的相关信息,包括id, type, name等。用struct ion_heap表示。

Client: Ion的使用者,用户空间和内核控件要使用ION的buffer,必须先创建一个client,一个client可以有多个buffer,用struct ion_buffer表示。

Handle: 将buffer该抽象出来,可以认为ION用handle来管理buffer,一般用户直接拿到的是handle,而不是buffer。 用struct ion_handle表示。

heap类型:

由于ION可以使用多种memory分配机制,例如物理连续和不连续的,所以ION使用enum ion_heap_type表示。

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  1. /**  
  2.  * enum ion_heap_types - list of all possible types of heaps  
  3.  * @ION_HEAP_TYPE_SYSTEM:    memory allocated via vmalloc  
  4.  * @ION_HEAP_TYPE_SYSTEM_CONTIG: memory allocated via kmalloc  
  5.  * @ION_HEAP_TYPE_CARVEOUT:  memory allocated from a prereserved  
  6.  *               carveout heap, allocations are physically  
  7.  *               contiguous  
  8.  * @ION_HEAP_TYPE_IOMMU: IOMMU memory  
  9.  * @ION_HEAP_TYPE_CP:    memory allocated from a prereserved  
  10.  *              carveout heap, allocations are physically  
  11.  *              contiguous. Used for content protection.  
  12.  * @ION_HEAP_TYPE_DMA:          memory allocated via DMA API  
  13.  * @ION_HEAP_END:       helper for iterating over heaps  
  14.  */  
  15. enum ion_heap_type {  
  16.     ION_HEAP_TYPE_SYSTEM,  
  17.     ION_HEAP_TYPE_SYSTEM_CONTIG,  
  18.     ION_HEAP_TYPE_CARVEOUT,  
  19.     ION_HEAP_TYPE_IOMMU,  
  20.     ION_HEAP_TYPE_CP,  
  21.     ION_HEAP_TYPE_DMA,  
  22.     ION_HEAP_TYPE_CUSTOM, /* must be last so device specific heaps always  
  23.                  are at the end of this enum */  
  24.     ION_NUM_HEAPS,  
  25. };  

代码中的注释很明确地说明了哪种type对应的是分配哪种memory。不同type的heap需要不同的method去分配,不过都是用struction_heap_ops来表示的。如以下例子:

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  1. static struct ion_heap_ops carveout_heap_ops = {  
  2.     .allocate = ion_carveout_heap_allocate,  
  3.     .free = ion_carveout_heap_free,  
  4.     .phys = ion_carveout_heap_phys,  
  5.     .map_user = ion_carveout_heap_map_user,  
  6.     .map_kernel = ion_carveout_heap_map_kernel,  
  7.     .unmap_user = ion_carveout_heap_unmap_user,  
  8.     .unmap_kernel = ion_carveout_heap_unmap_kernel,  
  9.     .map_dma = ion_carveout_heap_map_dma,  
  10.     .unmap_dma = ion_carveout_heap_unmap_dma,  
  11.     .cache_op = ion_carveout_cache_ops,  
  12.     .print_debug = ion_carveout_print_debug,  
  13.     .map_iommu = ion_carveout_heap_map_iommu,  
  14.     .unmap_iommu = ion_carveout_heap_unmap_iommu,  
  15. };  
  16.   
  17. static struct ion_heap_ops kmalloc_ops = {  
  18.     .allocate = ion_system_contig_heap_allocate,  
  19.     .free = ion_system_contig_heap_free,  
  20.     .phys = ion_system_contig_heap_phys,  
  21.     .map_dma = ion_system_contig_heap_map_dma,  
  22.     .unmap_dma = ion_system_heap_unmap_dma,  
  23.     .map_kernel = ion_system_heap_map_kernel,  
  24.     .unmap_kernel = ion_system_heap_unmap_kernel,  
  25.     .map_user = ion_system_contig_heap_map_user,  
  26.     .cache_op = ion_system_contig_heap_cache_ops,  
  27.     .print_debug = ion_system_contig_print_debug,  
  28.     .map_iommu = ion_system_contig_heap_map_iommu,  
  29.     .unmap_iommu = ion_system_heap_unmap_iommu,  
  30. };  

Heap ID:

同一种type的heap上当然可以分为若该干个chunk供用户使用,所以ION又使用ID来区分了。例如在type为ION_HEAP_TYPE_CARVEOUT的heap上,audio和display部分都需要使用,ION就用ID来区分。

Heap id用enumion_heap_ids表示。

[html] view plain copy print ?
  1. /**  
  2.  * These are the only ids that should be used for Ion heap ids.  
  3.  * The ids listed are the order in which allocation will be attempted  
  4.  * if specified. Don't swap the order of heap ids unless you know what  
  5.  * you are doing!  
  6.  * Id's are spaced by purpose to allow new Id's to be inserted in-between (for  
  7.  * possible fallbacks)  
  8.  */  
  9.   
  10. enum ion_heap_ids {  
  11.     INVALID_HEAP_ID = -1,  
  12.     ION_CP_MM_HEAP_ID = 8,  
  13.     ION_CP_MFC_HEAP_ID = 12,  
  14.     ION_CP_WB_HEAP_ID = 16, /* 8660 only */  
  15.     ION_CAMERA_HEAP_ID = 20, /* 8660 only */  
  16.     ION_SF_HEAP_ID = 24,  
  17.     ION_IOMMU_HEAP_ID = 25,  
  18.     ION_QSECOM_HEAP_ID = 26,  
  19.     ION_AUDIO_HEAP_BL_ID = 27,  
  20.     ION_AUDIO_HEAP_ID = 28,  
  21.   
  22.     ION_MM_FIRMWARE_HEAP_ID = 29,  
  23.     ION_SYSTEM_HEAP_ID = 30,  
  24.   
  25.     ION_HEAP_ID_RESERVED = 31 /** Bit reserved for ION_SECURE flag */  
  26. };  

Heap 定义:

       了解了heaptype和id,看看如何被用到了,本平台使用的文件为board-qrd7627a.c,有如下定义:
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  1. /**  
  2.  * These heaps are listed in the order they will be allocated.  
  3.  * Don't swap the order unless you know what you are doing!  
  4.  */  
  5. struct ion_platform_heap msm7627a_heaps[] = {  
  6.         {  
  7.             .id = ION_SYSTEM_HEAP_ID,  
  8.             .type   = ION_HEAP_TYPE_SYSTEM,  
  9.             .name   = ION_VMALLOC_HEAP_NAME,  
  10.         },  
  11. #ifdef CONFIG_MSM_MULTIMEDIA_USE_ION  
  12.         /* PMEM_ADSP = CAMERA */  
  13.         {  
  14.             .id = ION_CAMERA_HEAP_ID,  
  15.             .type   = CAMERA_HEAP_TYPE,  
  16.             .name   = ION_CAMERA_HEAP_NAME,  
  17.             .memory_type = ION_EBI_TYPE,  
  18.             .extra_data = (void *)&co_mm_ion_pdata,  
  19.             .priv   = (void *)&ion_cma_device.dev,  
  20.         },  
  21.         /* AUDIO HEAP 1*/  
  22.         {  
  23.             .id = ION_AUDIO_HEAP_ID,  
  24.             .type   = ION_HEAP_TYPE_CARVEOUT,  
  25.             .name   = ION_AUDIO_HEAP_NAME,  
  26.             .memory_type = ION_EBI_TYPE,  
  27.             .extra_data = (void *)&co_ion_pdata,  
  28.         },  
  29.         /* PMEM_MDP = SF */  
  30.         {  
  31.             .id = ION_SF_HEAP_ID,  
  32.             .type   = ION_HEAP_TYPE_CARVEOUT,  
  33.             .name   = ION_SF_HEAP_NAME,  
  34.             .memory_type = ION_EBI_TYPE,  
  35.             .extra_data = (void *)&co_ion_pdata,  
  36.         },  
  37.         /* AUDIO HEAP 2*/  
  38.         {  
  39.             .id    = ION_AUDIO_HEAP_BL_ID,  
  40.             .type  = ION_HEAP_TYPE_CARVEOUT,  
  41.             .name  = ION_AUDIO_BL_HEAP_NAME,  
  42.             .memory_type = ION_EBI_TYPE,  
  43.             .extra_data = (void *)&co_ion_pdata,  
  44.             .base = BOOTLOADER_BASE_ADDR,  
  45.         },  
  46.   
  47. #endif  
  48. };  

ION Handle:

当Ion client分配buffer时,相应的一个唯一的handle也会被指定,当然client可以多次申请ion buffer。申请好buffer之后,返回的是一个ion handle, 不过要知道Ion buffer才和实际的内存相关,包括size, address等信息。Struct ion_handle和struct ion_buffer如下:

[html] view plain copy print ?
  1. /**  
  2.  * ion_handle - a client local reference to a buffer  
  3.  * @ref:        reference count  
  4.  * @client:     back pointer to the client the buffer resides in  
  5.  * @buffer:     pointer to the buffer  
  6.  * @node:       node in the client's handle rbtree  
  7.  * @kmap_cnt:       count of times this client has mapped to kernel  
  8.  * @dmap_cnt:       count of times this client has mapped for dma  
  9.  *  
  10.  * Modifications to node, map_cnt or mapping should be protected by the  
  11.  * lock in the client.  Other fields are never changed after initialization.  
  12.  */  
  13. struct ion_handle {  
  14.     struct kref ref;  
  15.     struct ion_client *client;  
  16.     struct ion_buffer *buffer;  
  17.     struct rb_node node;  
  18.     unsigned int kmap_cnt;  
  19.     unsigned int iommu_map_cnt;  
  20. };  
  21.   
  22. /**  
  23.  * struct ion_buffer - metadata for a particular buffer  
  24.  * @ref:        refernce count  
  25.  * @node:       node in the ion_device buffers tree  
  26.  * @dev:        back pointer to the ion_device  
  27.  * @heap:       back pointer to the heap the buffer came from  
  28.  * @flags:      buffer specific flags  
  29.  * @size:       size of the buffer  
  30.  * @priv_virt:      private data to the buffer representable as  
  31.  *          a void *  
  32.  * @priv_phys:      private data to the buffer representable as  
  33.  *          an ion_phys_addr_t (and someday a phys_addr_t)  
  34.  * @lock:       protects the buffers cnt fields  
  35.  * @kmap_cnt:       number of times the buffer is mapped to the kernel  
  36.  * @vaddr:      the kenrel mapping if kmap_cnt is not zero  
  37.  * @dmap_cnt:       number of times the buffer is mapped for dma  
  38.  * @sg_table:       the sg table for the buffer if dmap_cnt is not zero  
  39. */  
  40. struct ion_buffer {  
  41.     struct kref ref;  
  42.     struct rb_node node;  
  43.     struct ion_device *dev;  
  44.     struct ion_heap *heap;  
  45.     unsigned long flags;  
  46.     size_t size;  
  47.     union {  
  48.         void *priv_virt;  
  49.         ion_phys_addr_t priv_phys;  
  50.     };  
  51.     struct mutex lock;  
  52.     int kmap_cnt;  
  53.     void *vaddr;  
  54.     int dmap_cnt;  
  55.     struct sg_table *sg_table;  
  56.     int umap_cnt;  
  57.     unsigned int iommu_map_cnt;  
  58.     struct rb_root iommu_maps;  
  59.     int marked;  
  60. };  

ION Client:

         用户空间和内核空间都可以成为client,不过创建的方法稍稍有点区别,先了解下基本的操作流程吧。

 内核空间:

先创建client:

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  1. struct ion_client *ion_client_create(struct ion_device *dev,  
  2.                      unsigned int heap_mask,  
  3.                      const char *name)  

heap_mask: 可以分配的heap type,如carveout,system heap, iommu等。

高通使用msm_ion_client_create函数封装了下。

 有了client之后就可以分配内存:

[html] view plain copy print ?
  1. struct ion_handle *ion_alloc(struct ion_client *client, size_t len,  
  2.                  size_t align, unsigned int flags)  

flags: 分配的heap id.

 有了handle也就是buffer之后就准备使用了,不过还是物理地址,需要map:

[html] view plain copy print ?
  1. void *ion_map_kernel(struct ion_client *client, struct ion_handle *handle,  
  2.             unsigned long flags)  

用户空间:

         用户空间如果想使用ION,也必须先要创建client,不过它是打开/dev/ion,实际上它最终也会调用ion_client_create。

         不过和内核空间创建client的一点区别是,用户空间不能选择heap type,但是内核空间却可以。

         另外,用户空间是通过IOCTL来分配内存的,cmd为ION_IOC_ALLOC.

[html] view plain copy print ?
  1. ion_fd = open("/dev/ion", O_ RDONLY | O_SYNC);   
  2. ioctl(ion_fd, ION_IOC_ALLOC, alloc);   

alloc为struct ion_allocation_data,len是申请buffer的长度,flags是heap id。

[html] view plain copy print ?
  1. /**  
  2.  * struct ion_allocation_data - metadata passed from userspace for allocations  
  3.  * @len:    size of the allocation  
  4.  * @align:  required alignment of the allocation  
  5.  * @flags:  flags passed to heap  
  6.  * @handle: pointer that will be populated with a cookie to use to refer  
  7.  *      to this allocation  
  8.  *  
  9.  * Provided by userspace as an argument to the ioctl  
  10.  */  
  11. struct ion_allocation_data {  
  12.     size_t len;  
  13.     size_t align;  
  14.     unsigned int flags;  
  15.     struct ion_handle *handle;  
  16. };  

分配好了buffer之后,如果用户空间想使用buffer,先需要mmap. ION是通过先调用IOCTL中的ION_IOC_SHARE/ION_IOC_MAP来得到可以mmap的fd,然后再执行mmap得到bufferaddress.

         然后,你也可以将此fd传给另一个进程,如通过binder传递。在另一个进程中通过ION_IOC_IMPORT这个IOCTL来得到这块共享buffer了。

 来看一个例子:

[html] view plain copy print ?
  1. 进程A:  
  2. int ionfd = open("/dev/ion", O_RDONLY | O_DSYNC);   
  3. alloc_data.len = 0x1000;   
  4. alloc_data.align = 0x1000;   
  5. alloc_data.flags = ION_HEAP(ION_CP_MM_HEAP_ID);    
  6. rc = ioctl(ionfd,ION_IOC_ALLOC, &alloc_data);   
  7. fd_data.handle = alloc_data.handle;    
  8. rc = ioctl(ionfd,ION_IOC_SHARE,&fd_data);    
  9. shared_fd = fd_data.fd;   
  10.   
  11. 进程B:  
  12. fd_data.fd = shared_fd;   
  13. rc = ioctl(ionfd,ION_IOC_IMPORT,&fd_data);   

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