【引用】DMA内存申请--dma_alloc_coherent

博客详细解析了Linux内核中的dma_alloc_coherent函数,阐述了该函数在x86平台上如何获取物理页和总线地址,以及在PowerPC平台上内存处理的不同之处,强调了两者之间的不兼容性和移植性问题。
在项目驱动过程中会经常用到dma传输数据,而dma需要的内存有自己的特点,一般认为需要物理地址连续,并且内存是不可cache的,在linux内核中提供一个供dma所需内存的申请函数dma_alloc_coheren. 如下所述:
dma_alloc_coherent()

dma_alloc_coherent() -- 获取物理页,并将该物理页的总线地址保存于dma_handle,返回该物理页的虚拟地址

void *
dma_alloc_coherent(struct device *dev,        size_t size,
                   dma_addr_t    *dma_handle, gfp_t gfp)
{
    void *ret;
    if (!dev || *dev->dma_mask >= 0xffffffffUL)
        gfp &= ~GFP_DMA;
    ret = (void *)__get_free_pages(gfp, get_order(size)); //(1)
    if (ret) {
        memset(ret, 0, size);
        *dma_handle = virt_to_bus(r
<think>嗯...用户这次的问题是关于ZU板卡使用dma_alloc_coherent申请内存失败的解决方案。从上下文看,用户应该是在开发嵌入式或驱动程序时遇到了实际困难。 用户可能正在调试一个关键项目,语气比较急切。这类内存分配问题通常很棘手,因为涉及硬件、内核和驱动的多层交互。需要从几个维度来分析: 首先想到的是CMA配置问题。ZU板卡依赖Contiguous Memory Allocator,如果内核启动参数没预留足够空间就会失败。用户可能需要检查cmdline里的cma=参数值,256MB通常是最低要求。 其次是内存碎片化问题。系统长时间运行后,即使总内存足够也可能无法分配连续大块。建议用户尝试在启动早期分配,或者重启后立即测试。 还有设备树配置容易被忽略。DMA范围设置不当会导致物理地址不匹配,特别要注意memory-regions节点的定义。这个坑我见很多人踩过。 用户没提具体错误代码,但ENOMEM是最常见的。如果伴随dmesg警告"alloc failed",基本可以确认是CMA不足。不过更隐蔽的是32位DMA掩码问题,ZU的DMA引擎有些只支持低4GB地址。 顺便想到个优化点:如果用户不需要大块连续内存,可以用dma_pool代替。不过对于视频处理这类场景,连续内存还是必须的。 最后要提醒内存释放问题。驱动卸载时如果没正确释放,会造成CMA内存泄漏。这个建议结合devm_来管理生命周期。</think>针对ZU板卡使用`dma_alloc_coherent`申请内存失败的问题,以下是常见原因及解决方法: --- ### **一、主要原因分析** 1. **CMA空间不足** - Zynq UltraScale+ (ZU+) 依赖**连续内存分配器(CMA)** 管理DMA内存。若内核启动参数未预留足够CMA空间(如`cma=256M`),或系统碎片化导致连续内存不足,分配将失败[^1]。 2. **设备树配置错误** - DMA地址范围未正确定义: ```dts reserved-memory { #address-cells = <2>; #size-cells = <2>; dma_reserved: buffer@0 { compatible = "shared-dma-pool"; reg = <0x0 0x80000000 0x0 0x20000000>; // 起始地址0x80000000,大小512MB no-map; }; }; ``` - 未关联DMA控制器: ```dts &axi_dma_0 { memory-region = <&dma_reserved>; }; ``` 3. **DMA掩码设置不当** - ZU+支持64位地址,但外设可能仅支持32位DMA。需检查设备驱动是否设置正确掩码: ```c if (dma_set_mask_and_coherent(dev, DMA_BIT_MASK(64)) != 0) // 尝试64位 dma_set_mask_and_coherent(dev, DMA_BIT_MASK(32)); // 回退到32位 ``` 4. **内存泄漏** 未释放已分配的DMA内存(`dma_free_coherent`缺失)会导致CMA池耗尽。 --- ### **二、解决方案** #### **步骤1:检查CMA配置** - **确认启动参数**:在U-Boot或内核命令行添加`cma=512M`(根据需求调整大小): ```bash bootargs = "earlycon clk_ignore_unused cma=512M ..."; ``` - **验证CMA分配**:系统启动后检查`/proc/meminfo`: ```bash grep Cma /proc/meminfo # 输出示例:CmaTotal: 524288 kB, CmaFree: 512000 kB ``` #### **步骤2:修正设备树** 1. 在`reserved-memory`节点定义CMA区域,例如保留512MB: ```dts reserved-memory { dma_reserved: region@80000000 { compatible = "shared-dma-pool"; reg = <0x0 0x80000000 0x0 0x20000000>; // 起始0x8000_0000, 大小512MB reusable; }; }; ``` 2. 将CMA区域关联到DMA控制器: ```dts &axi_dma { memory-region = <&dma_reserved>; }; ``` #### **步骤3:设置DMA掩码** 在驱动初始化代码中显式设置掩码: ```c struct device *dev = &pdev->dev; if (dma_set_mask(dev, DMA_BIT_MASK(64))) { dev_warn(dev, "64-bit DMA not supported, falling back to 32-bit"); dma_set_mask(dev, DMA_BIT_MASK(32)); } ``` #### **步骤4:排查内存泄漏** - 确保每次调用`dma_alloc_coherent`后,在驱动卸载或错误路径中调用`dma_free_coherent`: ```c void *dma_buf; dma_addr_t dma_handle; dma_buf = dma_alloc_coherent(dev, size, &dma_handle, GFP_KERNEL); // ...使用内存... dma_free_coherent(dev, size, dma_buf, dma_handle); // 必须释放! ``` #### **步骤5:替代方案(如CMA不足)** - **使用`dma_map_single`** 对非连续缓冲区进行映射: ```c void *buf = kmalloc(size, GFP_KERNEL); dma_addr_t dma_handle = dma_map_single(dev, buf, size, DMA_TO_DEVICE); // 使用后解除映射 dma_unmap_single(dev, dma_handle, size, DMA_TO_DEVICE); kfree(buf); ``` - **启用`IOMMU`** 若ZU+启用IOMMU(如`SMMU`),可绕过连续内存限制: 1. 确认内核启用`CONFIG_IOMMU_DMA` 2. 在设备树中为外设添加`iommus`属性 --- ### **三、调试技巧** 1. **查看内核日志** ```bash dmesg | grep -i "dma\|cma" # 重点检查错误:"failed to allocate DMA buffer", "CMA: out of memory" ``` 2. **监控CMA使用** ```bash watch -n 1 'cat /proc/meminfo | grep Cma' ``` 3. **检查DMA掩码** ```bash cat /sys/kernel/debug/dma_mask/<device_name> ``` --- ### **相关问题** 1. **ZU+板卡如何优化CMA性能以避免内存碎片化?** > 答:通过`CONFIG_CMA_AREAS`增加CMA区域数量(默认7个),或使用`dma_alloc_from_contiguous`的`align`参数对齐大页内存[^2]。 2. **启用IOMMU后DMA性能下降如何解决?** > 答:调整IOMMU映射粒度(如64KB页)、启用硬件TLB缓存,或对频繁操作使用`dma_map_single_attrs(..., DMA_ATTR_SKIP_CPU_SYNC)`减少同步开销[^3]。 3. **设备树中`reusable`与`no-map`属性对CMA有何影响?** > 答:`reusable`允许内核复用CMA区域作普通内存,`no-map`保留物理地址空间但不可复用。CMA池通常用`reusable`[^1]。 [^1]: Xilinx官方文档:Zynq UltraScale+ MPSoC DMA引擎与CMA配置指南 [^2]: Linux内核文档:Documentation/core-api/cma.rst [^3]: ARM SMMU优化白皮书:IOMMU硬件加速最佳实践
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