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1. 概述

DMA（Direct Memory Access）：直接存储器访问；

先看问题的引入：

• Non-DMA：CPU直接与设备进行数据交互，CPU的负载会随着数据的读写而增加；
• DMA：CPU不参与数据的直接传输，DMA Controller负责Device与Memory之间的数据搬运，并以中断信号的形式通知CPU；
• 可以看出，使用DMA的最大优点是可以提高CPU的使用率；

2. address mapping

DMA涉及三种地址空间：

• CPU虚拟地址：CPU使用的地址空间；
• CPU物理地址：CPU使用的虚拟地址通过MMU转换成物理地址；
• 总线地址：设备使用的地址空间；

CPU与Device看待地址的空间不一样，看几个示例：

1. A：Host bridge负责将Bus address映射到CPU的物理地址空间，可以通过ioremap 来使用，比如PCI/PCIe；
2. B：设备使用的总线地址，可以通过IOMMU访问到CPU的物理地址空间，由IOMMU来负责映射；
3. C：设备使用的总线地址与CPU的物理地址相同，不需要使用IOMMU进行地址转换；

2.1 cache coherence

DMA的操作，通常与cache相关，先了解一下cache coherence：

• cache coherence设备：设备之间的读写不需要关心cache的一致性问题，硬件将确保数据一致，比如连接在ARM CCI端口上的设备就是cache coherence设备；
• non-coherence设备：需要额外的软件操作（flush/invalidate）等操作来确保数据一致；

3. DMA mappings

Linux内核中提供了两种dma mapping的接口：Consistent mapping和Stream mapping。

3.1 Consistent DMA mappings

• consistent mapping：对应于cache-coherence设备，硬件确保device和CPU都能并行访问数据，并能看到彼此的更新，而不需要软件的flush操作；
• 通常在驱动init时进行map操作，而在deinit时进行unmap操作；

通常在使用consistent dma mapping时，首先需要通过dma_alloc_coherent接口来分配一段区域：

• dma_alloc_coherent用于分配coherent内存，并返回对应的虚拟地址；
• 进行内存分配时，存在三种方式：1）优先从设备专用的dma池开始分配；2）无专用dma池，如果是dma-direct访问，通过dma_direct_alloc分配，而底层是依赖于CMA来分配；3）使用IOMMU的设备，则通过iommu的操作函数集来分配；

3.1.1 device reserved

通常，可以为设备指定专用的dma coherent的区域，有以下的方式：

1. 通过在设备树中添加对应的属性值，驱动中可以调用of_reserved_mem_device_init最终完成dma区域的注册；
2. 直接通过接口dma_decleare_coherent_memory调用来进行注册；

3.1.2 dma pool

驱动中经常面临buffer的管理，可以使用dma pool机制来处理，大概的原理如下：

• dma-pool以页为单位来进行管理分配，可以通过添加多个dma池来使用；
• dma-pool子系统的细节描述，需要另起一篇文章了；

3.2 Streaming DMA mappings

• streaming mapping：对应于non-coherence设备；
• 通常在单次DMA传输时进行map，在传输完成后进行unmap（除非调用了dma_sync_XXX()函数）；
• non-coherence设备，由于buffer不与其他数据共享cache line，通常会work better；

先看一下数据一致性问题：

• dma to device时，需要将cache中的数据flush到memory中；
• dma from device时，需要先将cache中的数据invalidate掉，避免CPU读取的是原来的数据；

dma_map_single函数如下：

• map操作时存在两种方式，直接映射或使用iommu来完成映射；

dma_unmap_single是逆操作：

从上述函数中可以看到，最终都会调用到arch相关的cache操作，这个与体系结构是强相关的，以arm64为例：

最终的代码将调用到汇编中，操作也较简单，不再赘述了；