浅析Linux设备驱动：DMA内存映射

概述

现代计算机系统中，CPU访问内存需要经过Cache，但外部设备通常不感知Cache的存在，因此CPU和外设在访问DMA内存时，必须谨慎处理内存数据的一致性问题。为了处理这种一致性问题，同时为了兼顾多种设备类型，Linux系统会采用不同的规则来映射DMA内存，开发者遵循这套规则对DMA内存进行操作。

DMA与Cache一致性

DMA内存中的数据会涉及到CPU和设备的共同访问，区别在于CPU通常经过Cache访问内存，但常规的设备通常不会感知Cache的存在。因此，CPU写入的数据可能因为还存在Cache中而未及时刷入内存，从而导致设备没有DMA到最新的数据；反过来，设备已经向设备DMA了新的数据，但CPU可能仍然在使用Cache中旧的数据。

解决这种DMA与Cache间数据一致性的方法通常有两种，一种是设备硬件支持Cache一致性协议；另外一种就是软件通过同步操作来保证数据一致性。根据硬件是否支持Cache一致性，可以将设备分成两类：

• 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；

DMA映射类型

Linux系统支持两种DMA映射类型：一致性DMA映射（Consistent DMA Mapping）和流式DMA映射（Streaming DMA Mapping）。二者的核心差异在于：

• 一致性DMA映射情况下，无论是CPU还是设备，在访问DMA内存时，全程都不使用Ca