Linux x86_64/arm 分配大块物理连续内存

在Linux环境下,为x86_64平台的PCIe设备驱动程序分配128M物理连续内存作为DMA缓冲区。由于伙伴系统限制,采用cma机制来实现大块内存分配。文章介绍了如何配置内核、修改启动参数以及通过dma_alloc_coherent()函数进行内存分配。

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Linux x86/arm 分配大块物理连续内存

实现一个PCIe设备驱动,需要分配几个128M的物理连续内存作为DMA的缓冲区,受制于伙伴系统最多分配4M,所以需要使用到cma机制,来分配大块的物理连续内存实现通过DMA搬运数据:

硬件平台:x86_64
软件平台:CentOs7.4 linux-3.10.0


linux在x86下支持cma

根据网上的资料看,cma目前应该只能支持x86或者ARM平台,在x86下linux的cma是和swiotlb有关系的,swiotlb是使能的(enable),这种情况下cma是不使能的(disable),所以cma在x86_64下也是不使能的,这是因为swiotlb总是使能的,为了同时使能swiotlb和cma,为内核打补丁:

diff --git a/arch/x86/Kconfig b/arch/x86/Kconfig
index 0952ecd..1b6275d 100644
--- a/arch/x86/Kconfig
+++ b/arch/x86/Kconfig
@@ -40,7 +40,7 @@ config X86
    select ARCH_WANT_OPTIONAL_GPIOLIB
    select ARCH_WANT_FRAME_POINTERS
    select HAVE_DMA_ATTRS
-   select HAVE_DMA_CONTIGUOUS if !SWIOTLB
+   select HAVE_DMA_CONTIGUOUS
    select HAVE_KRETPROBES
    select HAVE_OPTPROBES
    select HAVE_KPROBES_ON_FTRACE
diff --git a/arch/x86/include/asm/swiotlb.h b/arch/x86/include/asm/swiotlb.h
index 977f176..ab05d73 100644
--- a/arch/x86/include/asm/swiotlb.h
+++ b/arch/x86/include/asm/swiotlb.h
@@ -29,4 +29,11 @@ static inline void pci_swiotlb_late_init(void)

 static inline void dma_mark_clean(void *addr, size_t size) {}

+extern void *x86_swiotlb_alloc_coherent(struct device *hwdev, size_t size,
+                   dma_addr_t *dma_handle, gfp_t flags,
+                   struct dma_attrs *attrs);
+extern void x86_swiotlb_free_coherent(struct device *dev, size_t size,
+                   void *vaddr, dma_addr_t dma_addr,
+                   struct dma_attrs *attrs);
+
 #endif /* _ASM_X86_SWIOTLB_H */
diff --git a/arch/x86/kernel/amd_gart_64.c b/arch/x86/kernel/amd_gart_64.c
index b574b29..8e3842f 100644
--- a/arch/x86/kernel/amd_gart_64.c
+++ b/arch/x86/kernel/amd_gart_64.c
@@ -512,7 +512,7 @@ gart_fr
<think>嗯,用户想知道在Linux系统中如何分配连续物理内存用于DMA操作。我之前学过的相关知识应该能帮上忙。首先,DMA操作需要连续物理内存,因为外设可能直接访问物理地址,而虚拟内存的碎片化可能导致物理地址不连续。所以,系统需要一些机制来确保分配内存物理连续的。 我记得Linux内核中有几种方法可以做到这一点。比如CMA连续内存分配器),这是内核的一个机制,专门用来预留大块连续物理内存,供DMA或类似需求使用。然后,还有kmalloc函数,当使用GFP_DMA标志时,可能会从DMA区域分配内存,但大小有限制,通常不超过几MB。另外,用户空间可能通过mmap映射/dev/mem设备,但这种方法需要root权限,而且不太安全,可能被禁用。 用户提供的引用里提到了方法1使用mmap和/dev/mem,还有引用3提到DMA操作在ARM架构的例子。所以可能需要结合这些信息。另外,启动阶段的内存在实模式是直接访问物理地址,但保护模式下分页开启,所以内核需要处理线性地址到物理地址的映射。 需要注意的是,用户空间直接分配连续物理内存几乎不可能,通常需要内核模块的帮助。比如通过CMA分配,然后导出到用户空间。或者使用dma_alloc_coherent函数,这个函数会返回物理地址连续的缓存,适用于DMA。 另外,用户提到ioremap,这个函数用于将物理地址映射到内核的虚拟地址空间,可能和DMA有关联,但主要是用于访问设备内存,而不是分配内存。 总结下来,可能的分配方法包括: 1. 使用dma_alloc_coherent函数 2. 使用CMA机制 3. 启动时预留内存 4. 内核模块中使用kmalloc或vmalloc(但vmalloc不保证物理连续) 5. 用户空间通过mmap映射/dev/mem(需要内核支持,且有安全隐患) 需要具体说明每种方法的机制和示例。比如dma_alloc_coherent的用法,以及CMA的配置步骤。同时,用户空间的例子可能需要内核模块配合,比如分配内存后通过ioctl或者mmap暴露给用户程序。 可能的问题点:用户是否需要用户空间的解决方案,还是内核驱动的?根据问题描述,用户可能是在开发驱动或需要在内核中分配,但问题提到“用于DMA操作”,通常驱动中处理。因此,重点在内核的分配方法。 另外,引用3中的例子是在ARM架构,可能需要注意平台差异,比如x86没有独立DMA控制器,所以可能无法直接应用相同的方法。 所以,回答应该涵盖内核中的分配方法,如dma_alloc_coherent,CMA,启动预留,以及可能的用户空间方法,但指出其限制。同时给出代码示例,比如模块中使用dma_alloc_coherent,并说明如何配置CMA。</think>### Linux DMA连续物理内存分配方法 在Linux系统中为DMA操作分配连续物理内存需要特殊处理机制。以下是五种主要方法及其实现原理和示例: #### 1. **DMA专用API(推荐方法)** 内核提供`dma_alloc_coherent()`接口直接分配物理连续内存: ```c // 驱动代码示例 void *dma_addr; dma_handle = dma_alloc_coherent(dev, size, &dma_addr, GFP_KERNEL); ``` - **特点**:自动处理缓存一致性 - **限制**:最大分配尺寸由平台DMA限制决定(通常32-128MB) - **物理连续性保证**:通过DMA区域预分配实现[^3] #### 2. **CMA连续内存分配器** 在设备树中预留CMA区域: ```dts reserved-memory { #address-cells = <1>; #size-cells = <1>; ranges; my_region: region@80000000 { compatible = "shared-dma-pool"; reg = <0x80000000 0x10000000>; no-map; }; }; ``` 驱动中通过DMA API自动使用CMA区域,需要内核配置`CONFIG_DMA_CMA` #### 3. **启动阶段内存预留** 在内核启动参数中添加: ```bash mem=1G@0x0 mem=1G@0x40000000 ``` - **原理**:通过`memmap=`参数保留未映射的物理内存区域 - **使用方式**:后续通过`ioremap`映射保留区域[^4] #### 4. **kmalloc特殊标志** ```c void *buf = kmalloc(size, GFP_DMA | GFP_KERNEL); ``` - **适用场景**:小内存分配(通常<4MB) - **实现机制**:从DMA Zone直接分配 #### 5. **用户空间映射(需root权限)** ```c // 通过/dev/mem映射 int fd = open("/dev/mem", O_RDWR); void *mem = mmap(NULL, size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, phys_addr); ``` - **限制**:需要内核关闭`CONFIG_STRICT_DEVMEM`保护 - **风险**:直接物理内存访问可能引发系统崩溃[^1] #### 物理地址验证方法 ```shell # 通过sysfs查看物理地址 cat /sys/kernel/debug/dma_mapping/allocations # 内核调试接口 echo phys_addr > /proc/iomem ``` #### 架构差异注意 - x86平台依赖IOMMU进行地址转换 - ARM架构可直接使用物理地址(如RK3568开发板)[^3] - MIPS架构需要处理非一致性缓存
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