linux dma_alloc_writecombine 和mmap

原文地址：https://blog.youkuaiyun.com/manshq163com/article/details/18451135

先理解cache的作用
CPU在访问内存时，首先判断所要访问的内容是否在Cache中，如果在，就称为“命中（hit）”，此时CPU直接从Cache中调用该内容；否则，就 称为“ 不命中”，CPU只好去内存中调用所需的子程序或指令了。CPU不但可以直接从Cache中读出内容，也可以直接往其中写入内容。由于Cache的存取速 率相当快，使得CPU的利用率大大提高，进而使整个系统的性能得以提升。

Cache的一致性就是直Cache中的数据，与对应的内存中的数据是一致的。

DMA是直接操作总线地址的，这里先当作物理地址来看待吧（系统总线地址和物理地址只是观察内存的角度不同）。如果cache缓存的内存区域不包括DMA分配到的区域，那么就没有一致性的问题。但是如果cache缓存包括了DMA目的地址的话，会出现什么什么问题呢？

问题出在，经过DMA操作，cache缓存对应的内存数据已经被修改了，而CPU本身不知道（DMA传输是不通过CPU的），它仍然认为cache中的数 据就是内存中的数据，以后访问Cache映射的内存时，它仍然使用旧的Cache数据。这样就发生Cache与内存的数据“不一致性”错误。

题外话：好像2.6.29内核中，6410的总线地址和物理地址是一样的，因为我在查看vir_to_bus函数的时候，发现在/arch/arm/linux/asm/memory.h中这样定义：
#ifndef __virt_to_bus
#define __virt_to_bus    __virt_to_phys
#define __bus_to_virt    __phys_to_virt
#endif
而且用source Insight搜索了一遍，没有发现6410相关的代码中，重新定义__vit_to_bus，因此擅自认为2.6内核中，6410的总线地址就是物理地址。希望高手指点。

顺便提一下，总线地址是从设备角度上看到的内存，物理地址是CPU的角度看到的未经过转换的内存（经过转换的是虚拟地址）

由上面可以看出，DMA如果使用cache，那么一定要考虑cache的一致性。解决DMA导致的一致性的方法最简单的就是禁止DMA目标地址范围内的cache功能。但是这样就会牺牲性能。

因此在DMA是否使用cache的问题上，可以根据DMA缓冲区期望保留的的时间长短来决策。DAM的映射就分为：一致性DMA映射和流式DMA映射。

一致性DMA映射申请的缓存区能够使用cache，并且保持cache一致性。一致性映射具有很长的生命周期，在这段时间内占用的映射寄存器，即使不使用也不会释放。生命周期为该驱动的生命周期

流式DMA映射实现比较复杂，因为没具体了解，就不说明了。只知道种方式的生命周期比较短，而且禁用cache。一些硬件对流式映射有优化。建立流式DMA映射，需要告诉内核数据的流动方向。


因为LCD随时都在使用，因此在Frame buffer驱动中，使用一致性DMA映射
上面的代码中用到 dma_alloc_writecombine函数，另外还有一个一致性DMA映射函数dma_alloc_coherent

两者的区别在于：
查看两者的源代码
[cpp] view plaincopy

    /*
    * Allocate DMA-coherent memory space and return both the kernel remapped
    * virtual and bus address for that space.
    */  
    void *  
    dma_alloc_coherent(struct device *dev, size_t size, dma_addr_t *handle, gfp_t gfp)  
    {  
    void *memory;  
      
    if (dma_alloc_from_coherent(dev, size, handle, &memory))  
    return memory;  
      
    if (arch_is_coherent()) {  
    void *virt;  
      
    virt = kmalloc(size, gfp);  
    if (!virt)  
    return NULL;  
    *handle =  virt_to_dma(dev, virt);  
      
    return virt;  
    }  
      
    return __dma_alloc(dev, size, handle, gfp,  
    pgprot_noncached(pgprot_kernel));  
    }  
      
    /*
    * Allocate a writecombining region, in much the same way as
    * dma_alloc_coherent above.
    */  
    void *  
    dma_alloc_writecombine(struct device *dev, size_t size, dma_addr_t *handle, gfp_t gfp)  
    {  
    return __dma_alloc(dev, size, handle, gfp,  
    pgprot_writecombine(pgprot_kernel));  
    }  
      
      
    #define pgprot_noncached(prot)  __pgprot(pgprot_val(prot) &~(L_PTE_CACHEABLE | L_PTE_BUFFERABLE))  
    #define pgprot_writecombine(prot) __pgprot(pgprot_val(prot) &~L_PTE_CACHEABLE)  

再结合网上的资料（不过我感觉那文章写的有些问题，我修改了一下），由上面代码可以看出，两个函数都调用了__dma_alloc函数，区别只在于最后一个参数。

dma_alloc_coherent 在 arm 平台上会禁止页表项中的 C （Cacheable） 域以及 B (Bufferable)域。而 dma_alloc_writecombine 只禁止 C （Cacheable） 域.

 C 代表是否使用高速缓冲存储器， 而 B 代表是否使用写缓冲区。

这样，dma_alloc_writecombine 分配出来的内存不使用缓存，但是会使用写缓冲区。而 dma_alloc_coherent  则二者都不使用。

C B 位的具体含义
0 0 无cache，无写缓冲；任何对memory的读写都反映到总线上。对 memory 的操作过程中CPU需要等待。
0 1 无cache，有写缓冲；读操作直接反映到总线上；写操作，CPU将数据写入到写缓冲后继续运行，由写缓冲进行写回操作。
1 0 有cache，写通模式；读操作首先考虑cache hit；写操作时直接将数据写入写缓冲，如果同时出现cache hit，那么也更新cache。
1 1 有cache，写回模式；读操作首先考虑cache hit；写操作也首先考虑cache hit。

这样，两者的区别就很清楚了。

A = dma_alloc_writecombine(struct device *dev, size_t size,dma_addr_t *handle, gfp_t gfp);

含义：
A          : 内存的虚拟起始地址，在内核要用此地址来操作所分配的内存
dev      : 可以平台初始化里指定，主要是用到dma_mask之类参数，可参考framebuffer
size      : 实际分配大小，传入dma_map_size即可
handle: 返回的内存物理地址，dma就可以用。

A和hanle是一一对应的，A是虚拟地址，而handle是总线地址。对任意一个操作都将改变写缓冲区内容。

mmap函数的使用，与驱动中mmap函数的实现
mmap怎样使用，怎样实现，为什么mmap可以减少额外的拷贝？
下面简单介绍。

一、mmap的使用
*内存映射：
#include <sys/mman.h>
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,
        int fd, off_t offset);
int munmap(void *addr, size_t length);
[描述]
mmap
把文件或者设备映射到内存。这个函数在调用进程的虚拟地址空间中创建一块映射区域。映射区域的首地址在addr中指定，length指定映射区域的长度。如果addr是NULL，那么由内核来选择一个地址来创建映射的区域,否则创建的时候会尽可能地使用addr的地址。在linux系统中，创建映射的时候应该是在下一个页面的边界创建,addr是NULL的时候，程序的可移植性最好。
length指定文件被映射的长度，offset指定从文件的哪个偏移位置开始映射，offset必须是页面大小的整数倍页面的大小可以由sysconf(_SC_PAGE_SIZE)来返回.
prot指定内存的保护模式（具体参见man）.
flags指定区域在不同进程之间的共享方式，以及区域是否同步到相应的文件等等（具体参见man）.
这个函数返回新创建的页面的地址。
munmap
取消address指定地址范围的映射。以后再引用取消的映射的时候就会导致非法内存的访问。这里address应该是页面的整数倍。
成功的时候这个函数返回0。

失败的时候，两者都返回-1.
[举例]

1 //hello hello hello
2 /*程序功能：
3  * 1)主要测试mmap和munmap的2)简单的write
4  * 具体为：
5  * 在命令中分别指定文件名，映射的长度，映射的起始地址.
6  * 将文件映射到内存中
7  * 把映射到内存中的内容用write写到标准输出。
8  * 注意，这里没有对越界进行检测。
9  * */
10 #include <sys/mman.h>//mmap
11 #include <unistd.h>//sysconf
12 #include <fcntl.h>//file open
13 #include <stdio.h>//printf
14 intmain(int argc, char *argv[])
15 {
16     if(argc != 4)
17     {
18         write(STDOUT_FILENO,"hello\n",6);
19         printf("usage:%s <filename> <offset> <length>\n",argv[0]);
20         return 1;
21     }
22     char *filename = argv[1];//1)指定文件
23     printf("the file to be mapped is:%s\n",filename);
24     int fd = open(filename,O_RDONLY);
25
26     int offset = atoi(argv[2]);//2)指定映射起始地址(页面的整数倍)
27     printf("start offset of file to be mapped is:%d\n",offset);
28     printf("page size is:%ld\n",sysconf(_SC_PAGE_SIZE));
29     int realOffset = offset & ~(sysconf(_SC_PAGE_SIZE) - 1);//转换成页面的整数倍
30     printf("real start offset of file to be mapped is:%d\n",realOffset);
31
32     int length = atoi(argv[3]);//3)指定映射长度
33     printf("the length to be map is:%d\n",length);
34     int realLen = length+offset-realOffset;//实际写入的字节数
35     printf("the real length to be map is:%d\n",realLen);
36
37     //mmap的参数分别是：
38     //NULL,让内核自己选择映射的地址;realLen指定映射的长度；
39     //PROT_READ只读；MAP_PRIVATE不和其他的进程之间共享映射区域,数据也不写入对应的文件中；
40     //realOffset映射文件的起始地址(页面的整数倍)。
41     char *addr = mmap(NULL, realLen,PROT_READ,MAP_PRIVATE,fd,realOffset);//4)开始映射
42
43     //关闭打开的文件，实际程序退出的时候会自动关闭。
44     //关闭文件之后，相应的映射内存仍旧存在,映射的内存用munmap关闭。
45     close(fd);
46     //write的参数分别是：
47     //STDOUT_FILENO:文件描述符号（这里是标准输出）
48     //addr,将要写入文件的内容的地址
49     //realLen,写入的长度,长度以addr作为起始地址
50     write(STDOUT_FILENO,addr,realLen);//将映射的内容写到标准输出
51     munmap(addr,realLen);//5)关闭映射的内存
52     //write(STDOUT_FILENO,addr,realLen);//不能使用了
53     printf("\n");
54 }

二、mmap实现
驱动中有对mmap的具体实现。用户调用mmap系统调用函数之后，最终会调用到驱动中的mmap函数接口。下面是一个例子：
static int commdrv_mmap(struct file* file, struct vm_area_struct* vma)
{
    long phy_addr;
    unsigned long offset;
    unsigned long size;
    vma->vm_page_prot = pgprot_noncached(vma->vm_page_prot);
    vma->vm_flags |= VM_LOCKED;
    offset = vma->vm_pgoff << PAGE_SHIFT;/*XXX assume is 12*/
    size = vma->vm_end - vma->vm_start;
    if(BUF0_OFF == offset) {
        phy_addr = PHYS_BASE0;
    } else if(BUF1_OFF == offset) {
        phy_addr = PHYS_BASE1;
    } else if(START_OFF == offset) {
        phy_addr = PHYS_BASE;
    } else {
        return -ENXIO;
    }
    /*phy_addr must be 4k *n*/
    if(remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, phy_addr >> PAGE_SHIFT, size, vma->vm_page_prot)) {
        return -ENXIO;
    }
    return 0;
}
对于以上代码，
"vma->vm_page_prot = pgprot_noncached(vma->vm_page_prot);"表示要映射的内存是非cached的，这样不会存在缓存中的数据和实际数据不一致的情况，但是速度会比cached的要慢。
offset表示要映射的数据的偏移，这个偏移量来自用户空间的mmap调用，用户空间传入的偏移在这里进行判断，虽然一般的文件就将这个偏移量做为文件偏移了，其实这个offset的含义，由驱动自己解释，不一定就是字节偏移，驱动根据这个偏移量来决定映射哪块内存，
size表示要映射的内存的大小。
"remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, phy_addr >> PAGE_SHIFT, size, vma->vm_page_prot)"表示将根据被映射的物理地址，以及虚拟起始地址，和大小等信息，将相应的部分映射到用户空间。其中参数vma直接来自commdrv_mmap函数的参数，phy_addr是要映射的设备的物理地址(必须是页对齐的)，只有少量的信息自己设置，大多来自外部。最后映射的地址，通过用户调用的mmap函数返回，用户可以直接操作。

三、mmap优点
mmap实现了将设备驱动在内核空间的部分地址直接映射到用户空间，使得用户程序可以直接访问和操作相应的内容。减少了额外的拷贝，而一般的read，write函数虽然表面上直接向设备写入，其实还需要进行一次拷贝。
例如，下面是某个设备驱动中的的write实现，当外面用户程序调用write系统调用向相应设备文件写之后，最终会进入到这个函数进行真正的读取所需操作。
static ssize_t commdrv_write(struct file* filp, char __user* buf,
        size_t count, loff_t* ppos)
{
    char* wbuf;
    wbuf = (char*)vmalloc(count);
    if(!wbuf) {
        return 0;
    }
    ret = copy_from_user(wbuf, (char __user*)buf, count);
    if(0 != ret) {
        vfree(wbuf);
        return 0;
    }
    .....do others things with wbuf......
    vfree(wbuf);
    return count;
}
由上面的代码可知，用户传入的数据指针buf，在驱动中（也就是内核空间）不能直接访问，必须使用copy_from_user将其拷贝到内核空间的一块内存，然后才能进行后续的操作（内核中不能不经过copy_from_user，直接访问用户传下来的指针buf的地址的内容）。而mmap，使得将内核空间直接映射到了用户空间，让用户空间通过返回的指针直接访问，这样内核和用户空间直接操作同样的内存。也就是说，如果不使用mmap，那么由于在内核空间的代码，和外面用户空间的代码对应的地址空间不同，这样内核空间和用户空间不能互相访问其指针；如果想要访问，对方指针的内容，那么只能通过copy_from_user之类的函数先将其数据拷贝到内核空间（相应的read一般使用copy_to_user可以将内核空间内的指针数据拷贝给用户空间的指针所指）再访问。除非直接将内存映射，否则一定要拷贝才能访问用户空间数据。