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宋宝华:那些年你误会的Linux DMA(关于Linux DMA ZONE和API最透彻的一篇)

2019-11-29
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创作目的


互联网、Linux内核书籍上充满了各种关于Linux DMA ZONE和dma_alloc_coherent、dma_map_single等的各种讲解,由于很多童鞋缺乏自身独立的思考,人云亦云,对这些概念形成了很多错误的理解。本文的目的在于彻底澄清这些误解。

当你发现本文内容与baidu到的内容不一致的时候,以本文内容为准。

本文目录

 



1.DMA ZONE的大小是16MB?

这个答案在32位X86计算机的条件下是成立的,但是在其他的绝大多数情况下都不成立。

首先我们要理解DMA ZONE产生的历史原因是什么。DMA可以直接在内存和外设之间进行数据搬移,对于内存的存取来讲,它和CPU一样,是一个访问master,可以直接访问内存。

DMA ZONE产生的本质原因是:不一定所有的DMA都可以访问到所有的内存,这本质上是硬件的设计限制。


在32位X86计算机的条件下,ISA实际只可以访问16MB以下的内存。那么ISA上面假设有个网卡,要DMA,超过16MB以上的内存,它根本就访问不到。所以Linux内核干脆简单一点,把16MB砍一刀,这一刀以下的内存单独管理。如果ISA的驱动要申请DMA buffer,你带一个GFP_DMA标记来表明你想从这个区域申请,我保证申请的内存你是可以访问的。

 

DMA ZONE的大小,以及DMA ZONE要不要存在,都取决于你实际的硬件是什么。比如我在CSR工作的时候,CSR的primaII芯片,尽管除SD MMC控制器以外的所有的DMA都可以访问整个4GB内存,但MMC控制器的DMA只能访问256MB,我们就把primaII对应Linux的DMA ZONE设为了256MB,详见内核:arch/arm/mach-prima2/common.c

#ifdef CONFIG_ARCH_PRIMA2

static const char *const prima2_dt_match[] __initconst = {

        "sirf,prima2",

        NULL

};

 

DT_MACHINE_START(PRIMA2_DT, "Generic PRIMA2 (Flattened Device Tree)")

        /* Maintainer: Barry Song <baohua.song@csr.com> */

        .l2c_aux_val    = 0,

        .l2c_aux_mask   = ~0,

        .dma_zone_size  = SZ_256M,

        .init_late      = sirfsoc_init_late,

        .dt_compat      = prima2_dt_match,

MACHINE_END

#endif

不过CSR这个公司由于早前已经被Q记收购,已经不再存在,一起幻灭的,还有当年挂在汽车前窗上的导航仪。这不禁让我想起我们当年在ADI arch/blackfin里面写的代码,也渐渐快几乎没有人用了一样。

一代人的芳华已逝,面目全非,重逢虽然谈笑如故,可不难看出岁月给每个人带来的改变。原谅我不愿让你们看到我们老去的样子,就让代码,留住我们芬芳的年华吧........

 

下面我们架空历史,假设有一个如下的芯片,里面有5个DMA,A、B、C都可以访问所有内存,D只能访问32MB,而E只能访问64MB,你觉得Linux的设计者会把DMA ZONE设置为多大?当然是32MB,因为如果设置为64MB,D从DMA ZONE申请的内存就可能位于32MB-64MB之间,申请了它也访问不了。

由于现如今绝大多少的SoC都很牛逼,似乎DMA都没有什么缺陷了,根本就不太可能给我们机会指定DMA ZONE大小装逼了,那个这个ZONE就不太需要存在了。反正任何DMA在任何地方申请的内存,这个DMA都可以存取到。


2.DMA ZONE的内存只能做DMA吗?


DMA ZONE的内存做什么都可以。DMA ZONE的作用是让有缺陷的DMA对应的外设驱动申请DMA buffer的时候从这个区域申请而已,但是它不是专有的。其他所有人的内存(包括应用程序和内核)也可以来自这个区域。


3.dma_alloc_coherent()申请的内存来自DMA ZONE?

dma_alloc_coherent()申请的内存来自于哪里,不是因为它的名字前面带了个dma_就来自DMA ZONE的,本质上取决于对应的DMA硬件是谁。看代码:

static void *__dma_alloc(struct device *dev, size_t size, dma_addr_t *handle,

                         gfp_t gfp, pgprot_t prot, bool is_coherent, const void *caller)

{

        u64 mask = get_coherent_dma_mask(dev);

        …

 

        if (mask < 0xffffffffULL)

                gfp |= GFP_DMA;

                 …

}

对于primaII而言,绝大多少的外设的dma_coherent_mask都设置为0XffffffffULL(4GB内存全覆盖),但是SD那个则设置为256MB-1对应的数字。这样当primaII的SD驱动调用dma_alloc_coherent()的时候,GFP_DMA标记被设置,以指挥内核从DMA ZONE申请内存。但是,其他的外设,mask覆盖了整个4GB,调用dma_alloc_coherent()获得的内存就不需要一定是来自DMA ZONE。


4.dma_alloc_coherent()申请的内存是非cache的吗?


要解答这个问题,首先要理解什么叫cache coherent。还是继续看这个DMA的图,我们假设MEM里面有一块红色的区域,并且CPU读过它,于是红色区域也进CACHE:

但是,假设现在DMA把外设的一个白色搬移到了内存原本红色的位置:

这个时候,内存虽然白了,CPU读到的却还是红色,因为CACHE命中了,这就出现了cache的不coherent。

当然,如果是CPU写数据到内存,它也只是先写进cache(不一定进了内存),这个时候如果做一个内存到外设的DMA操作,外设可能就得到错误的内存里面的老数据。

所以cache coherent的最简单方法,自然是让CPU访问DMA buffer的时候也不带cache。事实上,缺省情况下,dma_alloc_coherent()申请的内存缺省是进行uncache配置的。

但是,由于现代SoC特别强,这样有一些SoC里面可以用硬件做CPU和外设的cache coherence,如图中的cache coherent interconnect:

这些SoC的厂商就可以把内核的通用实现overwrite掉,变成dma_alloc_coherent()申请的内存也是可以带cache的。这部分还是让大牛Arnd Bergmann童鞋来解释:

来自:https://www.spinics.net/lists/arm-kernel/msg322447.html

Arnd Bergmann:

dma_alloc_coherent() is a wrapper around a device-specific allocator,

based on the dma_map_ops implementation. The default allocator

from arm_dma_ops gives you uncached, buffered memory. It is expected

that the driver uses a barrier (which is implied by readl/writel

but not __raw_readl/__raw_writel or readl_relaxed/writel_relaxed)

to ensure the write buffers are flushed.

 

If the machine sets arm_coherent_dma_ops rather than arm_dma_ops,

the memory will be cacheable, as it's assumed that the hardware

is set up for cache-coherent DMAs.

当我grep内核源代码的时候,我发现部分SoC确实是这样实现的:

baohua@baohua-VirtualBox:~/develop/linux/arch/arm$ git grep arm_coherent_dma_ops

include/asm/dma-mapping.h:extern struct dma_map_ops arm_coherent_dma_ops;

mach-highbank/highbank.c:               set_dma_ops(dev, &arm_coherent_dma_ops);

mach-mvebu/coherency.c: set_dma_ops(dev, &arm_coherent_dma_ops);


5.dma_alloc_coherent()申请的内存一定是物理连续的吗?


绝大多数的SoC目前都支持和使用CMA技术,并且多数情况下,DMA coherent APIs以CMA区域为申请的后端,这个时候,dma alloc coherent本质上用__alloc_from_contiguous()从CMA区域获取内存,申请出来的内存显然是物理连续的。这一点,在设备树dts里面就可以轻松配置,要么配置一个自己特定的cma区域,要么从“linux,cma-default”指定的缺省的CMA池子里面取内存:

  reserved-memory {

                #address-cells = <1>;

                #size-cells = <1>;

                ranges;

 

                /* global autoconfigured region for contiguous allocations */

                linux,cma {

                        compatible = "shared-dma-pool";

                        reusable;

                        size = <0x4000000>;

                        alignment = <0x2000>;

                        linux,cma-default;

                };

 

                display_reserved: framebuffer@78000000 {

                        reg = <0x78000000 0x800000>;

                };

 

                multimedia_reserved: multimedia@77000000 {

                        compatible = "acme,multimedia-memory";

                        reg = <0x77000000 0x4000000>;

                };

        };

但是,如果IOMMU存在(ARM里面叫SMMU)的话,DMA完全可以访问非连续的内存,并且把物理上不连续的内存,用IOMMU进行重新映射为I/O virtual address (IOVA):

所以dma_alloc_coherent()这个API只是一个前端的界面,它的内存究竟从哪里来,究竟要不要连续,带不带cache,都完全是因人而异的。


6.可以直接在进程的虚拟地址空间进行DMA操作吗?


在支持SVA(Shared Virtual Addressing)的场景下,外设可以和CPU共享相同的虚拟地址,这样外设就可以直接共享进程的地址空间:


相关文章:Shared Virtual Addressing for the IOMMU

https://lwn.net/Articles/747230/

当然,它要求硬件的三个支持(这里面每个要求都是必须的,我认为最最最重要的是IOMMU的page table和CPU MMU的page table格式是兼容的):

The device, buses and the IOMMU must support the following features:
* Multiple address spaces per device, for example using the PCI PASID(Process Address Space ID) extension. The IOMMU driver allocates a PASID and the device uses it in DMA transactions.
* I/O Page Faults (IOPF), for example PCI PRI (Page Request Interface) or Arm SMMU stall. The core mm handles translation faults from the IOMMU.
* MMU and IOMMU implement compatible page table formats.

试想,你在用户空间的一片内存:

void *p = malloc(1MB);

当你要对这片内存进行压缩运算的时候,你的硬件里面有个压缩加速器,你直接把p这个地址告诉它,它就可以帮你进行压缩了,这样的生活是多么的惬意?

我觉得最最牛逼的是:外设共享了你写的app的进程的地址空间,外设直接融入你的应用成为它的一部分,帮应用完成部分功能(当然最主要是加速功能)。它甚至让前面的dma_alloc_coherent等待这样的专门申请一致性DMA缓冲区的API都那么的多余,你也不需要凡事设计到DMA操作的时候,都进行内核的大量操作。CPU和外设的绝对界线被打开。


同时我希望你不要把DMA狭义地理解为内存的拷贝,比如从内存里面往网卡里面搬移这样的事情。本文所述的DMA,更多地具备广义DMA的概念,就是外设可以直接访问内存。进而我也希望你不要把本文所说的外设想象成狭义的就是USB、网卡、I2C这种,本文所述CPU眼里的外设本身也可能是一个带运算能力的加速器、video处理器、GPU等。

如果外设是个加速器,利用SVA,它可以访问到进程虚拟地址空间的数据进行运算,减少了很多不必要的互动,可以极大地提升系统性能。


最后总结一句,千万不要被教科书和各种网上的资料懵逼了双眼,你一定要真正自己探索和搞清楚事情的本源。


(完)


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