DMA-BUF 由浅入深(一) —— 最简单的 dma-buf 驱动程序

作者 by adtxl / 2022-02-21 / 暂无评论 / 292 个足迹

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原文链接:https://blog.csdn.net/hexiaolong2009/article/details/102596744

1. 前言

最近因为工作内容发生了变化,导致《最简单的DRM驱动程序》系列文章暂停了更新,但我仍然会坚持把它写完。由于在后面讲解 DRM 驱动程序的过程中,会不可避免的介绍到 dma-buf,因此这里将该模块单独提取出来,形成一个系列文章,为后续讲解 DRM PRIME 打下基础。

如果你和我一样,是一位从事Android多媒体底层开发的工程师,那么你对 dma-buf 这个词语一定不会陌生,因为不管是 Video、Camera 还是 Display、GPU,它们的buffer都来自于ION,而 ION 正是基于 dma-buf 实现的。

假如你对 dma-buf 的理解并不深刻,又期望找个时间来彻底公关一下,那么很高兴,这几篇文章一定能让你对 dma-buf 有个更深入、更透彻的理解。

2. 历史

dma-buf 最初的原型为 shrbuf,由 Marek Szyprowski (Samsung)于2011年8月2日首次提出,他实现了 “Buffer Sharing” 的概念验证(Proof-of-Concept),并在三星平台的 V4L2 驱动中实现了 camera 与 display 的 buffer 共享问题。该 patch 发表后,在内核社区引起了巨大反响,因为当时关于 buffer 共享问题很早就开始讨论了,但是由于内核没有现成的框架支持,导致各个厂商实现的驱动五花八门,此时急需要一个统一的框架来解决 buffer 共享问题。

于是 Sumit Semwal (Linaro) 基于 Marek Szyprowski 的 patch 重构了一套新的框架,也就是我们今天看到的 dma-buf 核心代码,它经历了社区开发人员给出的重重考验,并最终于 2012 年 2 月 merge 到了 Linux-3.3 主线版本中,这也是 dma-buf 的第一个正式版本。此后 dma-buf 被广泛应用于内核多媒体驱动开发中,尤其在 V4L2、DRM 子系统中得到了充分应用。

3. 概念

dma-buf 的出现就是为了解决各个驱动之间 buffer 共享的问题,因此它本质上是 buffer 与 file 的结合,即 dma-buf 既是块物理 buffer,又是个 linux file。buffer 是内容,file 是媒介,只有通过 file 这个媒介才能实现同一 buffer 在不同驱动之间的流转。

一个典型的 dma-buf 应用框图如下:

image.png

通常,我们将分配 buffer 的模块称为 exporter,将使用该 buffer 的模块称为 importer 或 user。但在本系列文章中,importer 特指内核空间的使用者,user 特指用户空间的使用者。

有的人习惯将 exporter 说成是生产者,importer 说成是消费者,我个人认为这样的说法并不严谨。举例来说,Android 系统中,graphic buffer 都是由 ION 来分配的,GPU 负责填充该 buffer,DPU 负责显示该 buffer。那么在这里,ION 则是 exporter,GPU 和 DPU 则都是 importer。但是从生产者/消费者模型来讲,GPU 则是生产者,DPU 是消费者,因此不能片面的认为 exporter 就是生产者。

4. 最简单的 dma-buf 驱动程序

如下代码演示了如何编写一个最简单的 dma-buf 驱动程序,我将其称为 dummy 驱动,因为它什么事情也不做。注意:该代码已经是精简的不能再精简了,少一行代码都不行!

// exporter-dummy.c

#include <linux/dma-buf.h>
#include <linux/module.h>

static struct sg_table *exporter_map_dma_buf(struct dma_buf_attachment *attachment,
                     enum dma_data_direction dir)
{
    return NULL;
}

static void exporter_unmap_dma_buf(struct dma_buf_attachment *attachment,
                   struct sg_table *table,
                   enum dma_data_direction dir)
{
}

static void exporter_release(struct dma_buf *dmabuf)
{
}

static void *exporter_kmap_atomic(struct dma_buf *dmabuf, unsigned long page_num)
{
    return NULL;
}

static void *exporter_kmap(struct dma_buf *dmabuf, unsigned long page_num)
{
    return NULL;
}

static int exporter_mmap(struct dma_buf *dmabuf, struct vm_area_struct *vma)
{
    return -ENODEV;
}

static const struct dma_buf_ops exp_dmabuf_ops = {
    .map_dma_buf = exporter_map_dma_buf,
    .unmap_dma_buf = exporter_unmap_dma_buf,
    .release = exporter_release,
    .map_atomic = exporter_kmap_atomic,
    .map = exporter_kmap,
    .mmap = exporter_mmap,
};

static int __init exporter_init(void)
{
    DEFINE_DMA_BUF_EXPORT_INFO(exp_info);
    struct dma_buf *dmabuf;

    exp_info.ops = &exp_dmabuf_ops;
    exp_info.size = PAGE_SIZE;
    exp_info.flags = O_CLOEXEC;
    exp_info.priv = "null";

    dmabuf = dma_buf_export(&exp_info);

    return 0;
}

module_init(exporter_init);

从上面的代码来看,要实现一个 dma-buf exporter驱动,需要执行3个步骤:

  1. dma_buf_ops
  2. DEFINE_DMA_BUF_EXPORT_INFO
  3. dma_buf_export()

注意: 其中 dma_buf_ops 的回调接口中,如下接口又是必须要实现的,缺少任何一个都将导致 dma_buf_export() 函数调用失败!

  • map_dma_buf
  • unmap_dma_buf
  • map
  • map_atomic
  • mmap
  • release

从 linux-4.19 开始,map_atomic 接口被废弃,map 和 mmap 接口不再被强制要求。

5. 开发环境

内核源码    4.14.143
示例源码    hexiaolong2008-GitHub/sample-code/dma-buf/01
开发平台    Ubuntu14.04/16.04
运行平台    my-qemu 仿真环境

6. 编译

dma-buf 的核心代码由 CONFIG_DMA_SHARED_BUFFER 宏来控制是否参与编译,而该 config 并不是一个显式的菜单项,我们无法直接在 menuconfig 菜单中找到它,因此我这里就直接简单粗暴的修改 Kconfig 文件,设置 default y 来实现 dma-buf.c 的强制编译:

linux-4.14.43/drivers/base/Kconfig:

config DMA_SHARED_BUFFER
    bool
    default y

或者你也可以通过 menuconfig 菜单选择那些依赖 dma-buf 的设备驱动,如 DRM VGEM。

然后编译exporter_dummy.ko文件,并打包到 my-qemu 环境中。

7. 运行

在 my-qemu 仿真环境中执行如下命令:

# insmod /lib/modules/4.14.143/kernel/drivers/dma-buf/exporter-dummy.ko
# lsmod

exporter_dummy 16384 1 - Live 0x7f000000

通过如下命令来查看 dma-buf 的相关信息:

# cat /sys/kernel/debug/dma_buf/bufinfo

Dma-buf Objects:
size        flags       mode        count       exp_name
00004096    00000000    00000005    00000001    exporter_dummy
        Attached Devices:
Total 0 devices attached

Total 1 objects, 4096 bytes

运行截图:

imagef64903bc0b5eb186.png

在实际运行的过程中,细心的小伙伴可能会发现,该 exporter_dummy.ko 只能被 insmod,无法被 rmmod。关于该问题的原因,我将在《dma-buf 由浅入深(五)—— File》中为大家解答。

8. 总结

  1. dma-buf 本质上是 buffer + file 的结合。
  2. 编写 dma-buf 驱动的三个步骤:
    (1)dma_buf_ops
    (2)DEFINE_DMA_BUF_EXPORT_INFO
    (3)dma_buf_export()

通过本篇我们学习了如何编写一个最简单的 dma-buf 驱动程序。但是该驱动什么事情也做不了,因为它的 dma_buf_ops 回调函数都是空的。从下一篇起,我们将一步步实现 dma_buf_ops 的回调函数,让大家一步步的掌握 dma-buf 的使用技巧。

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