没有IOMMU的DMA操作
我们知道DMA通常需要访问连续的物理内存，除非设备支持iommu，当设备不支持iommu的话可以用以下方式：
- 在内核启动时为设备保留内存
- 将MMU内嵌到设备中，如GPU
这里GPU MMU的方式算是个例外，不在本篇文章讨论范围内。
我们知道DMA映射有两种方式，一种是一致性映射 dma_alloc_coherent，一种是流式映射 dma_map_single （dma_map_sg可以映射多个dma buffer）。
一致性映射 dma_alloc_coherent
dma_alloc_coherent会调用dma_alloc_attrs：
static inline void *dma_alloc_attrs(struct device *dev, size_t size,
dma_addr_t *dma_handle, gfp_t flag,
unsigned long attrs)
{
const struct dma_map_ops *ops = get_dma_ops(dev);
void *cpu_addr;
BUG_ON(!ops);
if (dma_alloc_from_dev_coherent(dev, size, dma_handle, &cpu_addr))
return cpu_addr;
if (!arch_dma_alloc_attrs(&dev, &flag))
return NULL;
if (!ops->alloc)
return NULL;
cpu_addr = ops->alloc(dev, size, dma_handle, flag, attrs);
debug_dma_alloc_coherent(dev, size, *dma_handle, cpu_addr);
return cpu_addr;
}
ops->alloc对应的回调有两个注册，分别是swiotlb和iommu：
static struct dma_map_ops swiotlb_dma_ops = {
.alloc = __dma_alloc, //dma_alloc_attrs
.free = __dma_free,
.mmap = __swiotlb_mmap,
.get_sgtable = __swiotlb_get_sgtable,
.map_page = __swiotlb_map_page, //dma_map_single
.unmap_page = __swiotlb_unmap_page,
.map_sg = __swiotlb_map_sg_attrs, //dma_map_sg
.unmap_sg = __swiotlb_unmap_sg_attrs,
.sync_single_for_cpu = __swiotlb_sync_single_for_cpu,
.sync_single_for_device = __swiotlb_sync_single_for_device,
.sync_sg_for_cpu = __swiotlb_sync_sg_for_cpu,
.sync_sg_for_device = __swiotlb_sync_sg_for_device,
.dma_supported = __swiotlb_dma_supported,
.mapping_error = __swiotlb_dma_mapping_error,
};
static struct dma_map_ops iommu_dma_ops = {
.alloc = __iommu_alloc_attrs,
.free = __iommu_free_attrs,
.mmap = __iommu_mmap_attrs,
.get_sgtable = __iommu_get_sgtable,
.map_page = __iommu_map_page,
.unmap_page = __iommu_unmap_page,
.map_sg = __iommu_map_sg_attrs,
.unmap_sg = __iommu_unmap_sg_attrs,
.sync_single_for_cpu = __iommu_sync_single_for_cpu,
.sync_single_for_device = __iommu_sync_single_for_device,
.sync_sg_for_cpu = __iommu_sync_sg_for_cpu,
.sync_sg_for_device = __iommu_sync_sg_for_device,
.map_resource = iommu_dma_map_resource,
.unmap_resource = iommu_dma_unmap_resource,
.mapping_error = iommu_dma_mapping_error,
};
非iommu的话即调用__dma_alloc：
static void *__dma_alloc(struct device *dev, size_t size,
dma_addr_t *dma_handle, gfp_t flags,
unsigned long attrs)
{
......
size = PAGE_ALIGN(size);
if (!coherent && !gfpflags_allow_blocking(flags)) {
......
//coherent_pool
void *addr = __alloc_from_pool(size, &page, flags);
if (addr)
*dma_handle = phys_to_dma(dev, page_to_phys(page));
return addr;
}
//cma or buddy or swiotlb
ptr = __dma_alloc_coherent(dev, size, dma_handle, flags, attrs);
if (!ptr)
goto no_mem;
......
return coherent_ptr;
}
其中__alloc_from_pool用来分配 coherent_pool 的内存，__dma_alloc_coherent用来分配 cma 或者 buddy 或者 swiotlb的内存。（实际方案中一般通过memblock的方式划分coherent pool，cma，swiotlb这三种reserved mem）
其分配流程如下图所示：
from nxp community by eric chen
相关解释：
为了下面流式映射更好的理解，这里再详细讲下 swiotlb 的分配过程。
__dma_alloc_coherent->swiotlb_alloc_coherent->map_single
static phys_addr_t
map_single(struct device *hwdev, phys_addr_t phys, size_t size,
enum dma_data_direction dir, unsigned long attrs)
{
dma_addr_t start_dma_addr;
if (swiotlb_force == SWIOTLB_NO_FORCE) {
dev_warn_ratelimited(hwdev, "Cannot do DMA to address %pa\n",
&phys);
return SWIOTLB_MAP_ERROR;
}
start_dma_addr = swiotlb_phys_to_dma(hwdev, io_tlb_start);
return swiotlb_tbl_map_single(hwdev, start_dma_addr, phys, size,
dir, attrs);
}
phys_addr_t swiotlb_tbl_map_single(struct device *hwdev,
dma_addr_t tbl_dma_addr,
phys_addr_t orig_addr, size_t size,
enum dma_data_direction dir,
unsigned long attrs)
{
if (io_tlb_list[index] >= nslots) {
int count = 0;
for (i = index; i < (int) (index + nslots); i++)
io_tlb_list[i] = 0;
for (i = index - 1; (OFFSET(i, IO_TLB_SEGSIZE) != IO_TLB_SEGSIZE - 1) && io_tlb_list[i]; i--)
io_tlb_list[i] = ++count;
tlb_addr = io_tlb_start + (index << IO_TLB_SHIFT);
/*
* Update the indices to avoid searching in the next
* round.
*/
io_tlb_index = ((index + nslots) < io_tlb_nslabs
? (index + nslots) : 0);
goto found;
}
......
return tlb_addr;
}
- 申请bounce buffer并且返回虚拟地址，出去再转为dma地址
- 系统启动的时候就做好了slots和swiotlb内存的映射，这里根据slot可以返回其地址。
至此，dma_alloc_coherent的分配流程就完成了。我们可以看出虽然申请api都是dma_alloc_coherent函数，但是后台的实现有很多种，并且和是否是dma zone也没什么必然关系，本质上只是一块0x0000_0000到0xFFFF_FFFF范围内的连续内存。
流式映射 dma_map_single
因为DMA受32位访问的限制，所以只能访问0x0000_0000到0xFFFF_FFFF地址空间的内存，再加上DMA需要访问连续的物理内存，故coherent pool，cma，buddy，swiotlb必须保证在0x0000_0000~0xFFFF_FFFF以内的连续物理空间。 这些没毛病。
但是如果一个64位系统的话，CPU访问内存完全是可以大于0xFFFF_FFFF范围的。比如一个内存的基地址是0x80000000，内存大小是4G，则内存的物理地址范围是0x8000_0000~0x18000_0000。由于DMA寻址范围为0x0000_0000~0xFFFF_FFFF，如果CPU把数据放在0x10000_0000~0x18000_0000这段空间，DMA就无法访问了。
怎么解决上面的问题？
此时swiotlb就登上了历史舞台。
from nxp community by eric chen
swiotlb做的工作如上图所示，主要通过map_single从swiotlb里找到一块buffer叫做Bounce Buffer，然后把CPU访问的Data Buffer与Bounce Buffer映射起来，最后通过swiotlb_bounce把这两个buffer中的数据做个同步(memcpy)。
下面我们通过代码把上面的过程梳理一下。
物理页映射
dma_map_single->dma_map_single_attrs->(ops->map_page)->__swiotlb_map_page-> swiotlb_map_page-> map_single
dma_addr_t swiotlb_map_page(struct device *dev, struct page *page,
unsigned long offset, size_t size,
enum dma_data_direction dir,
unsigned long attrs)
{
//根据页号获取物理地址，进而获得DMA地址
phys_addr_t map, phys = page_to_phys(page) + offset;
dma_addr_t dev_addr = phys_to_dma(dev, phys);
BUG_ON(dir == DMA_NONE);
/*
* If the address happens to be in the device's DMA window,
* we can safely return the device addr and not worry about bounce
* buffering it.
*/
//判断DMA的寻址能力是否能够覆盖上一步得到的物理地址，如果能的话，直接返回物理地址，否则采用swiotlb机制分配内存。
if (dma_capable(dev, dev_addr, size) && swiotlb_force != SWIOTLB_FORCE)
return dev_addr;
trace_swiotlb_bounced(dev, dev_addr, size, swiotlb_force);
/* Oh well, have to allocate and map a bounce buffer. */
//用swiotlb机制分配内存
map = map_single(dev, phys, size, dir, attrs);
//判断调用swiotlb机制分配的内存物理地址是否在DMA寻址能力范围内，如果在的话直接返回，否则直接返回备用地址
if (map == SWIOTLB_MAP_ERROR) {
swiotlb_full(dev, size, dir, 1);
return swiotlb_phys_to_dma(dev, io_tlb_overflow_buffer);
}
dev_addr = swiotlb_phys_to_dma(dev, map);
/* Ensure that the address returned is DMA'ble */
if (dma_capable(dev, dev_addr, size))
return dev_addr;
attrs |= DMA_ATTR_SKIP_CPU_SYNC;
swiotlb_tbl_unmap_single(dev, map, size, dir, attrs);
return swiotlb_phys_to_dma(dev, io_tlb_overflow_buffer);
}
- CPU访问的内存转为DMA地址
- 判断DMA的寻址能力是否能够覆盖上一步得到的地址，如果能的话，直接返回地址，否则采用swiotlb机制分配内存。
- 通过map_single用swiotlb机制分配内存，详情见上面
至此，CPU对应的Data Buffer和DMA对应的Bounce Buffer就映射起来了
数据同步
- dma_sync_single_for_device
dma_sync_single_for_device
_swiotlb_sync_single_for_device
swiotlb_sync_single_for_device
swiotlb_sync_single(..., SYNC_FOR_DEVICE)
swiotlb_tbl_sync_single
swiotlb_bounce(..., DMA_TO_DEVICE)
memcpy(vaddr, buffer + offset, sz) //将数据从Data Buffer处拷贝到Bounce Buffer
__dma_map_area
ENTRY(__dma_map_area)
cmp w2, #DMA_FROM_DEVICE
b.eq __dma_inv_area //invalid就是使cache中内容无效，下次使用时需要从内存中重新读取
b __dma_clean_area //把cache中内容刷到内存中
ENDPIPROC(__dma_map_area)
- dma_sync_single_for_cpu
dma_sync_single_for_cpu
__swiotlb_sync_single_for_cpu
__dma_unmap_area
ENTRY(__dma_unmap_area)
cmp w2, #DMA_TO_DEVICE
b.ne __dma_inv_area //invalid就是使cache中内容无效，下次使用时需要从内存中重新读取
ret
ENDPIPROC(__dma_unmap_area)
swiotlb_sync_single_for_cpu
swiotlb_sync_single(..., SYNC_FOR_CPU)
swiotlb_tbl_sync_single
swiotlb_bounce(..., DMA_FROM_DEVICE)
memcpy(buffer + offset, vaddr, sz) //将数据从Bounce Buffer处拷贝到Data Buffer
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原始发表：2021-03-28，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除
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