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1、申请和释放DMA缓冲区
内存中用于与外设交互数据的一块区域被称作DMA缓冲区，在设备不支持scatter/gather（SG，分散/聚集）操作的情况下，DMA 缓冲区必须是物理上连续的。
对于ISA设备而言，其DMA操作只能在16MB以下的内存中进行，因此，在使用kmalloc()和__get_free_pages()及其类似函数申请DMA缓冲区时应使用GFP_DMA标志，这样能保证获得的内存是具备DMA能力的（DMA-capable）。内核中定义了__get_free_pages()针对DMA的“快捷方式”__get_dma_pages()，它在申请标志中添加了GFP_DMA：
#define __get_dma_pages(gfp_mask, order) \
__get_free_pages((gfp_mask) | GFP_DMA,(order))
如果不想使用log2size即order为参数申请DMA内存，则可以使用另一个函数dma_mem_alloc()，其源代码如代码清单11.17。
代码清单11.17 dma_mem_alloc()函数
1 static unsigned long dma_mem_alloc(int size)
2 {
3 int order = get_order(size);//大小->指数
4 return __get_dma_pages(GFP_KERNEL, order);
5 }
基于DMA的硬件使用总线地址而非物理地址，虽然在PC上，对于ISA和PCI而言，总线地址即为物理地址，但并非每个平台都是如此。因为有时候接口总线被通过桥接电路连接，桥接电路会将I/O地址映射为不同的物理地址。还有一些系统提供了页面映射机制，它能将任意的页面映射为连续的外设总线地址。内核提供了如下函数用于进行简单的虚拟地址/总线地址转换：
unsigned long virt_to_bus(volatile void *address);
void *bus_to_virt(unsigned long address);
在必须使用IOMMU或反弹缓冲区的情况下，上述函数一般不会正常工作。而且，这2个函数并不建议被使用。如图11.13所示，IOMMU的工作原理与CPU内的MMU非常类似，不过它针对的是外设总线地址和内存地址之间的转化。由于IOMMU可以使得外设看到“虚拟地址”，因此在使用IOMMU的情况下，在修改映射寄存器后，可以使得SG中分段的缓冲区地址对外设变得连续。
图11.13 MMU与IOMMU
设备并不一定能在所有的内存地址上执行DMA操作，在这种情况下应该通过下列函数执行DMA地址掩码：
int dma_set_mask(struct device *dev, u64 mask);
譬如，对于只能在24位地址上执行DMA操作的设备而言，就应该调用dma_set_mask (dev, 0xffffff)。
DMA映射包括2个方面的工作：分配一片DMA缓冲区；为这片缓冲区产生设备可访问的地址。同时，DMA映射也必须考虑cache一致性问题。内核中提供了以下函数用于分配一个DMA一致性的内存区域：
void * dma_alloc_coherent(struct device *dev, size_t size, dma_addr_t *handle, gfp_t gfp);
上述函数的返回值为申请到的DMA缓冲区的虚拟地址，此外，该函数还通过参数handle返回DMA缓冲区的总线地址。handle的类型为dma_addr_t，代表的是总线地址。
dma_alloc_coherent()申请一片DMA缓冲区，进行地址映射并保证该缓冲区的cache一致性。与dma_alloc_coherent()对应的释放函数为：
void dma_free_coherent(struct device *dev, size_t size, void *cpu_addr, dma_addr_t handle);
以下函数用于分配一个写合并（writecombining）的DMA缓冲区：
void * dma_alloc_writecombine(struct device *dev, size_t size, dma_addr_t *handle, gfp_t gfp);
与dma_alloc_writecombine()对应的释放“函数”dma_free_writecombine()实际上就是dma_free_coherent()，因为它定义为：
#define dma_free_writecombine(dev,size,cpu_addr,handle) \
dma_free_coherent(dev,size,cpu_addr,handle)
此外，Linux内核还提供了PCI 设备申请DMA缓冲区的函数pci_alloc_consistent()，其原型为：
void * pci_alloc_consistent(struct pci_dev *pdev, size_t size, dma_addr_t *dma_addrp);
对应的释放函数为pci_free_consistent()，其原型为：
void pci_free_consistent(struct pci_dev *pdev, size_t size, void *cpu_addr, dma_addr_t dma_addr);
相对于一致性DMA映射而言，流式DMA映射的接口较为复杂。对于单个已经分配的缓冲区而言，使用dma_map_single()可实现流式DMA映射，该函数原型为：
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，返回的是总线地址，否则，返回NULL。第4个参数为DMA的方向，可能的值包括DMA_TO_DEVICE、DMA_FROM_DEVICE、DMA_BIDIRECTIONAL和DMA_NONE。
dma_map_single()的“反函数”为dma_unmap_single()，原型是：
void dma_unmap_single(struct device *dev, dma_addr_t dma_addr, size_t size,
enum dma_data_direction direction);
通常情况下，设备驱动不应该访问unmap的流式DMA缓冲区，如果一定要这么做，可先使用如下函数获得DMA缓冲区的拥有权：
void dma_sync_single_for_cpu(struct device *dev, dma_handle_t bus_addr,
size_t size, enum dma_data_direction direction);
在驱动访问完DMA缓冲区后，应该将其所有权返还给设备，通过如下函数完成：
void dma_sync_single_for_device(struct device *dev, dma_handle_t bus_addr,
size_t size, enum dma_data_direction direction);
如果设备要求较大的DMA缓冲区，在其支持SG模式的情况下，申请多个不连续的、相对较小的DMA缓冲区通常是防止申请太大的连续物理空间的方法。在Linux内核中，使用如下函数映射SG：
int dma_map_sg(struct device *dev, struct scatterlist *sg, int nents,
enum dma_data_direction direction);
nents是散列表（scatterlist）入口的数量，该函数的返回值是DMA缓冲区的数量，可能小于nents。对于scatterlist中的每个项目，dma_map_sg()为设备产生恰当的总线地址，它会合并物理上临近的内存区域。
scatterlist结构体的定义如代码清单11.18所示，它包含了scatterlist对应的page结构体指针、缓冲区在page中的偏移（offset）、缓冲区长度（length）以及总线地址（dma_address）。
代码清单11.18 scatterlist结构体
1 struct scatterlist
2 {
3 struct page *page;
4 unsigned int offset;
5 dma_addr_t dma_address;
6 unsigned int length;
7 };
执行dma_map_sg()后，通过sg_dma_address()可返回scatterlist对应缓冲区的总线地址，sg_dma_len()可返回scatterlist对应缓冲区的长度，这2个函数的原型为：
dma_addr_t sg_dma_address(struct scatterlist *sg);
unsigned int sg_dma_len(struct scatterlist *sg);
在DMA传输结束后，可通过dma_map_sg()的反函数dma_unmap_sg()去除DMA映射：
void dma_unmap_sg(struct device *dev, struct scatterlist *list,
int nents, enum dma_data_direction direction);
SG映射属于流式DMA映射，与单一缓冲区情况下的流式DMA映射类似，如果设备驱动一定要访问映射情况下的SG缓冲区，应该先调用如下函数：
void dma_sync_sg_for_cpu(struct device *dev, struct scatterlist *sg,
int nents, enum dma_data_direction direction);
访问完后，通过下列函数将所有权返回给设备：
void dma_sync_sg_for_device(struct device *dev, struct scatterlist *sg,
int nents, enum dma_data_direction direction);
Linux系统中可以有一个相对简单的方法预先分配缓冲区，那就是通过“mem=”参数预留内存。譬如对于内存为64MB的系统，通过给其传递mem=62MB命令行参数可以使得顶部的2MB内存被预留出来作为IO内存使用，这2MB内存可以被静态映射（11.5节），也可以被执行ioremap()。 | 
2007-12-5 19:58:51
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