第十五章內(nèi)存映射和DMA-創(chuàng)新互聯(lián)
映射一個(gè)設(shè)備意味著將用戶空間的一段內(nèi)存與設(shè)備內(nèi)存關(guān)聯(lián)起來。無論何時(shí)當(dāng)程序在分配的地址范圍內(nèi)讀寫時(shí)，實(shí)際上訪問的就是設(shè)備。不是所有的設(shè)備都能進(jìn)行mmap抽象。比如像串口和其他面向流的設(shè)備就不能。mmap的另一個(gè)限制是：必須以PAGE_SIZE為單位進(jìn)行映射。
mmap方法是file_operation結(jié)構(gòu)的一部分，并且執(zhí)行mmap系統(tǒng)調(diào)用時(shí)將調(diào)用該方法。為了執(zhí)行mmap，驅(qū)動(dòng)程序只需要為該地址范圍建立合適的頁(yè)表，并將vma->vm_ops替換為一系列的新操作即可。
有兩種建立頁(yè)表的方法：使用remap_pfn_range函數(shù)一次全部建立，或者通過nopage方法每次建立一個(gè)頁(yè)。
2、執(zhí)行直接IO訪問
如果需要傳遞的數(shù)據(jù)量非常大，直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而不需要額外的從內(nèi)核空間拷貝數(shù)據(jù)操作的參與，這將會(huì)大大提高速度。使用直接IO并不在任何情況下都能提高性能。設(shè)置直接IO的開銷很大，而又沒有使用IO緩存的優(yōu)勢(shì)。比如，使用直接IO需要write系統(tǒng)調(diào)用同步執(zhí)行；否則應(yīng)用程序?qū)?huì)不知道什么時(shí)候能再次使用他的IO緩沖區(qū)。在每個(gè)寫操作完成之前不能停止應(yīng)用程序，這樣會(huì)導(dǎo)致關(guān)閉程序緩慢，這就是使用直接IO的應(yīng)用程序也使用異步IO的原因。
在字符設(shè)備中執(zhí)行直接IO是不行的，也是有害的。只有確定設(shè)置緩沖IO的開銷特別大，才使用直接IO。塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不擔(dān)心實(shí)現(xiàn)直接IO的問題，內(nèi)核高層代碼設(shè)置和使用了直接IO，而驅(qū)動(dòng)程序級(jí)的代碼甚至不需要知道已經(jīng)執(zhí)行了直接IO。
2.6內(nèi)核中，實(shí)現(xiàn)直接IO的關(guān)鍵名為get_user_pages函數(shù)。如果函數(shù)調(diào)用成功調(diào)用者就會(huì)擁有一個(gè)指向用戶空間緩沖區(qū)的頁(yè)數(shù)組，它將被鎖在內(nèi)存中。為了能直接操作緩沖區(qū)，內(nèi)核空間代碼必須用kmap或kmap_atomic函數(shù)將每個(gè)page結(jié)構(gòu)指針轉(zhuǎn)換為內(nèi)核虛擬地址。使用直接IO的設(shè)備通常使用DMA操作，因此驅(qū)動(dòng)程序要從page結(jié)構(gòu)指針數(shù)組中創(chuàng)建一個(gè)分散/聚集鏈表。
一旦直接IO操作完成則需要釋放用戶內(nèi)存頁(yè)。在釋放前，如果改變了這些頁(yè)中的內(nèi)容，則必須通知內(nèi)核，否則內(nèi)核會(huì)認(rèn)為這些頁(yè)是干凈的，也就是說，內(nèi)核會(huì)認(rèn)為他們與交換設(shè)備中的拷貝是匹配的，因此，無需回存就能釋放他們。
3、異步IO
aio_read和aio_write函數(shù)的目的是初始化讀和寫操作，在這兩個(gè)函數(shù)完成時(shí)，讀寫操作可能已經(jīng)完成。如果操作立刻完成，函數(shù)將返回常規(guī)狀態(tài)：傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)或者錯(cuò)誤碼。
如何允許異步操作：如果驅(qū)動(dòng)程序可以開始操作，必須記住與操作相關(guān)的所有信息，并且返回-EIOCBQUEUE給調(diào)用者。記住操作的信息包括了安排對(duì)用戶空間緩沖區(qū)的訪問；一旦返回，因?yàn)橐\(yùn)行在調(diào)用進(jìn)程的上下文中，所以將不能再訪問這個(gè)緩沖區(qū)。通常這意味著建立直接的內(nèi)核映射（get_user_pages）或者DMA映射。-EIOCBQUEUE表示操作沒有完成，它的最終狀態(tài)將在未來某個(gè)時(shí)刻公布。當(dāng)未來某個(gè)時(shí)刻到來時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序必須通知內(nèi)核操作已經(jīng)完成。使用aio_complete函數(shù)。
4、直接內(nèi)存訪問DMA
DMA是一種硬件機(jī)制，他允許外圍設(shè)備和主內(nèi)存之間直接傳輸他們的IO數(shù)據(jù)，而不需要系統(tǒng)處理器的參與。使用這種機(jī)制可以提高與設(shè)備通信的吞吐量，因?yàn)槊獬舜罅康挠?jì)算開銷。
DMA需要設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序分配一個(gè)或者多個(gè)適合執(zhí)行DMA的特殊緩沖區(qū)。
必須謹(jǐn)慎的為DMA操作分配正確的內(nèi)存類型，因?yàn)椴⒉皇撬袃?nèi)存區(qū)間都適合DMA操作。在實(shí)際操作中，一些設(shè)備和一些系統(tǒng)中的高端內(nèi)存不能用于DMA，這是因?yàn)橥鈬O(shè)備不能使用高端內(nèi)存的地址。在現(xiàn)代總線上的大多數(shù)設(shè)備能夠處理32位地址，這意味著常用的內(nèi)存分配機(jī)制能很好的工作。一些PCI設(shè)備沒能實(shí)現(xiàn)全部的PCI標(biāo)準(zhǔn)，因此不能使用32位地址，而一些ISA設(shè)備還局限在使用24位地址的階段。
對(duì)于有這些限制的設(shè)備，應(yīng)使用GFP_DMA標(biāo)志調(diào)用kmalloc或者get_free_pages從DMA區(qū)間分配內(nèi)存。當(dāng)設(shè)置了該標(biāo)志時(shí)，只有使用24位尋址方式的內(nèi)存才能被分配。另外韓可以使用通用DMA層來分配緩沖區(qū)，這樣也恩那個(gè)滿足對(duì)設(shè)備限制的需要。
如果需要為DMA緩沖區(qū)分配一大塊內(nèi)存，最好考慮一下是否有替代方法。如果設(shè)備支持分散/聚合IO，則可以將緩沖區(qū)分配成多個(gè)小塊，設(shè)備會(huì)很好的處理它們。當(dāng)用戶空間中執(zhí)行直接IO的時(shí)候，也可以用分散/聚合IO。
基于DMA的硬件使用總線地址，而非物理地址。
int dma_set_mask(struct device *dev,u64 mask);//如果使用指定的mask時(shí)ＤＭＡ能正常工作，則返回非零值。
void *dma_alloc_coherent(struct device *dev,size_t size,dma_addr_t *dma_handle,int flag);//分配一致性DMA緩沖區(qū)；函數(shù)的返回值是緩沖區(qū)的內(nèi)核虛擬地址，可以被驅(qū)動(dòng)程序使用；而與其相關(guān)的總線地址，返回時(shí)保存在dma_handle中。
void dma_free_alloc_coherent(struct device *dev,size_t size,void *addr,dma_addr_t dma_handle);//一致性ＤＭＡ緩沖區(qū)釋放
struct dma_pool *dma_pool_create(const char *name ,struct device *dev,size_t size,size_t align,size_t allocation);//創(chuàng)建DMA池
void dma_pool_destroy(struct dma_pool *pool);//銷毀ＤＭＡ池
void *dma_pool_alloc(struct dma_pool *pool,int mem_flags,dma_addr_t *handle);//從ＤＭＡ池中分配ＤＭＡ緩沖區(qū)
void dma_pool_free(struct dma_pool *pool,void *vaddr,dma_addr_t addr);//釋放緩沖區(qū)到ＤＭＡ池
dma_addr_t dma_map_single(struct device *dev,void *buffer,size_t size,enum dma_data_direction direction);
void dma_unmap_single(struct device *dev,dma_addr_t dma_addr,size_t size,enmu dma_data_direction direction);
流式DMA原則：
1、緩沖區(qū)的傳送方向必須匹配與映射時(shí)給定的方向值
2、一旦緩沖區(qū)被映射，他將屬于設(shè)備，而不是處理器。直到緩沖區(qū)被撤銷映射前，驅(qū)動(dòng)程序不能以任何方式訪問其中的內(nèi)容
3、在DMA處于活動(dòng)期間，不能撤銷對(duì)緩沖區(qū)的映射，否則會(huì)嚴(yán)重破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
有時(shí)候，驅(qū)動(dòng)程序需要不經(jīng)過撤銷映射就訪問流式DMA緩沖區(qū)，內(nèi)核提供了一下方法：
void dma_sync_single_for_cpu(struct device *dev,dma_handle_t bus_addr,size_t size,enmu dma_data_direction direction);//應(yīng)該在處理器訪問流式DMA緩沖區(qū)前調(diào)用該函數(shù)。一旦調(diào)用，則處理器將“擁有”DMA緩沖區(qū)，并可根據(jù)需要對(duì)他進(jìn)行訪問。
void dam_sync_single_for_device(...)//在設(shè)備訪問緩沖區(qū)前，應(yīng)該調(diào)用該函數(shù)將緩沖區(qū)所有權(quán)還給設(shè)備。
dma_addr_t dma_map_page(struct device *dev,struct page *page,unsigned long offset,size_t size,enum dma_data_direction direction);//單頁(yè)流式映射
void dma_unmap_page(struct device *dev,dma_addr_t dma_address,size_t size,enmu dma_data_direction);//撤銷單頁(yè)映射
int dma_map_sg(struct device *dev,struct scatterlist *sg,int nents,enum dma_data_direction direction);//分散/聚集映射建立
dma_addr_t sg_dma_address(struct scatterlist *sg);//從該分散表的入口返回總線地址
unsigned int sg_dma_len(struct scatterlist *sg);//返回緩沖區(qū)的長(zhǎng)度
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