【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。

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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,用户想深入了解dma_alloc_coherent函数的缓存行为特性。从问题表述看,用户应该是有一定内核开发经验的工程师,正在处理DMA相关驱动开发,需要明确内存的缓存属性。用户特别关注"带缓存还是非缓存"这个核心矛盾,说明可能遇到了性能问题或一致性问题。用户引用了两段站内资料,其中提到dma_alloc_coherent申请内存"物理地址连续且不可cache",这已经给出了关键线索。但用户可能需要更系统的解释,包括硬件层面原理和软件层验证方法。关于DMA缓存问题的技术要点需要分层说明:首先从CPU缓存机制切入,解释CacheCoherency问题对DMA的影响;然后对比dma_alloc_coherentdma_alloc_writecombine的差异;最后给出实际开发中的注意事项。用户可能还需要知道ARM64架构下的特殊处理,比如是否默认开启CMA区域的内存缓存。注意到用户上次询问过DMA内存申请基础,这次明显更深入。需要强调dma_alloc_coherent在设备无一致性支持时的处理机制,这正是驱动开发者常踩的坑。可以补充内存屏障的使用场景,虽然函数本身保证一致性,但混合使用流式映射时仍需手动维护。验证手段的提供也很关键,用户需要实际排查工具。除了/proc/mtrr,还应提及内核文档中关于DMA属性标记的内容(如dma_map_ops)。若用户使用SoC内置DMA控制器,建议直接查阅芯片手册的缓存策略章节。</think>关于 `dma_alloc_coherent` 申请DMA 内存的缓存行为,核心结论是:**该函数申请内存是 *非缓存 (Uncacheable, UC)* 的**。以下是详细解释: --- ### **1. 缓存行为:非缓存 (Uncacheable)** * **原理**:`dma_alloc_coherent` 设计目标是为设备(DMA)与 CPU 提供**一致的内存视图**。如果内存可缓存,CPU 对数据的修改可能仅停留在缓存中(未写回内存),导致设备读取到旧数据;同样,设备写入的数据可能因缓存未更新而被 CPU 读取到旧值。 * **实现方式**: 内核在分配内存时,会**显式设置页表属性**为 `非缓存`(如 ARM 的 `MT_DEVICE_nGnRE` 属性,x86 的 `UC` 类型)。这确保: * CPU 访问该内存时**绕过缓存**,直接读写物理内存。 * 设备 DMA 操作直接访问物理内存,无需软件维护缓存一致性。 --- ### **2. 关键特性总结** | 特性 | 说明 | |---------------------|----------------------------------------------------------------------| | **物理地址连续** | 保证设备 DMA 无需处理物理地址碎片(依赖平台和大小)[^1][^2]。 | | **非缓存 (UC)** | CPU 和设备访问均不经过缓存,避免一致性问题。 | | **一致性保证** | CPU 和设备对内存的读写立即可见,无需软件刷新缓存。 | | **适用场景** | 设备与 CPU 需频繁双向共享数据的场景(如 DMA 缓冲区)。 | --- ### **3. 对比:流式 DMA 映射 (`dma_map_single`)** * **缓存行为**:流式映射允许内存本身是**可缓存**的。 * **一致性维护**: 需开发者显式调用 `dma_sync_single_for_device/cpu()` 在 DMA 传输前后**刷新缓存**,确保数据一致性。 * **适用场景**:CPU 或设备仅单向访问数据的场景(如设备只读或只写)。 --- ### **4. 验证缓存属性** 可通过以下方式确认: 1. **查看页表属性**(需内核调试): 内存区域的页表项标记为 `UC`(x86)或 `Device` 类型(ARM)。 2. **性能测试**: 连续写入测试显示无缓存加速效果(速度接近直接访问物理内存)。 --- ### **5. 开发者注意事项** 1. **性能取舍**: 非缓存访问比缓存慢,但省去一致性维护开销。**高频 CPU 访问场景需评估性能影响**。 2. **替代方案**: 若设备支持总线监听(如 PCIe ACS),可使用可缓存内存 + 硬件一致性(如 `dma_alloc_attrs(..., DMA_ATTR_NON_CONSISTENT)`)。 3. **ARM 特殊处理**: 某些 ARM SoC 要求 DMA 内存禁用缓存(即使设备支持一致性),需参考芯片手册[^2]。 ```c // 典型调用示例 dma_addr_t dma_handle; void *cpu_addr = dma_alloc_coherent(dev, size, &dma_handle, GFP_KERNEL); // cpu_addr 指向非缓存内存dma_handle 为设备可用的物理地址 ``` ---
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