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宋宝华: 关于DMA ZONE和dma alloc coherent若干误解的彻底澄清

运维开发网 https://www.qedev.com 2020-11-30 10:46 出处:51CTO 作者:linux阅码场
原创宋宝华Linux阅码场2018-01-22作者简介宋宝华,他有10几年的Linux开发经验。他长期在大型企业担任一线工程师和系统架构师,编写大量的Linux代码,并负责在gerrit上review其他同事的代码。BarrySong是Linux的活跃开发者,是某些内核版本的最活跃开发者之一(如https://lwn.net/Articles/395961/、https://lwn.net/Art

原创 宋宝华 Linux阅码场 2018-01-22


作者简介

宋宝华,他有10几年的Linux开发经验。他长期在大型企业担任一线工程师和系统架构师,编写大量的Linux代码,并负责在gerrit上review其他同事的代码。Barry Song是Linux的活跃开发者,是某些内核版本的最活跃开发者之一(如https://lwn.net/Articles/395961/ 、https://lwn.net/Articles/429912/),也曾是一ARM SoC系列在Linux mainline的maintainer。他也是china-pub等评估的2008年度“十大畅销经典”,“十佳原创精品”图书《Linux设备驱动开发详解》的作者和《Essential Linux Device Driver》的译者。同时书写了很多技术文章,是51CTO 2012年度“十大杰出IT博客”得主及51CTO、CSDN的专家博主。他也热衷于开源项目,正在开发LEP(Linux Easy Profiling,http://www.Linuxep.com/)项目,并希望获得更多人的参与和帮助。

宋宝华: 关于DMA ZONE和dma alloc coherent若干误解的彻底澄清

本文目录

1.DMA ZONE的大小是16MB?

2.DMA ZONE的内存只能做DMA吗?

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

4.dma_alloc_coherent()申请的内存是非cache的吗?

5.dma_alloc_coherent()申请的内存一定是物理连续的吗?

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。

宋宝华: 关于DMA ZONE和dma alloc coherent若干误解的彻底澄清

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 <[email protected]> */
        .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........

宋宝华: 关于DMA ZONE和dma alloc coherent若干误解的彻底澄清

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。

宋宝华: 关于DMA ZONE和dma alloc coherent若干误解的彻底澄清

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:

宋宝华: 关于DMA ZONE和dma alloc coherent若干误解的彻底澄清

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:

宋宝华: 关于DMA ZONE和dma alloc coherent若干误解的彻底澄清

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:

宋宝华: 关于DMA ZONE和dma alloc coherent若干误解的彻底澄清

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:


[email protected]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: [email protected] {
                        reg = <0x78000000 0x800000>;
                };

                multimedia_reserved: [email protected] {
                        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):

宋宝华: 关于DMA ZONE和dma alloc coherent若干误解的彻底澄清

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。

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。

今天看了《芳华》这部电影,感慨良多,遂作此文。

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