Linux中关于MMAPandDMA的知识总结.doc

3项技术：1,mmap系统调用可以实现将设备内存映射到用户进程的地址空间。2,使用get_user_pages,可以把用户空间内存映射到内核中。3,DMA的I/O操作，使得外设具有直接访问系统内存的能力。-内存管理内核用来管理内存的数据结构-地址内型Linux是一个虚拟内存系统，即用户程序使用的地址与硬件使用的物理地址是不等同的。虚拟内存引入了一个间接层，使得许多操作成为可能：*有了虚拟内存，系统中运行的程序可以分配比物理内存更多的内存。*虚拟地址还能让程序在进程的地址空间内使用更多的技巧，包括将程序的内存映射到设备内存上。地址内型列表*用户虚拟地址 每个进程都有自己的虚拟地址空间。*物理地址 处理器访问系统内存时使用的地址。*总线地址 在外围总线和内存之间使用。MMU可以实现总线和主内存之间的重新映射。 当设置DMA操作时，编写MMU相关的代码是一个必需的步骤。*内核逻辑地址 内核逻辑地址组成了内核的常规地址空间，该地址映射了部分（或全部）内存， 并经常被视为物理地址。在大多数体系架构中，逻辑地址与其相关联的物理地址 的不同，仅仅在于它们之间存在一个固定的偏移量。kmalloc返回的内存就是 内核逻辑地址。*内核虚拟地址 内核虚拟地址与逻辑地址相同之处在于，都将内核空间的地址映射到物理地址上。 不同之处在于，内核虚拟地址与物理地址的映射不是线性的和一对一的。 vmalloc返回一个虚拟地址，kmap函数也返回一个虚拟地址。-物理地址和页物理地址被分为离散的单元，称之为页。系统内部许多对内存的操作都是基于单个页的。大多数系统都使用每页4096个字节，PAGE_SIZE 给出指定体系架构下的页大小。观察内存地址，无论是虚拟的还是物理的，它们都被分为页号和一个页内的偏移量。如果每页4096个字节，那么最后的12位就是偏移量，剩余的高位则指定页号。页帧数：将除去偏移量的剩余位移到右端，称该结果为页帧数。-高端与低端内存内核(在x86架构中)将4GB的虚拟地址空间分割为用户空间和内核空间。一个典型的分割是将3GB分配给用户空间，1GB分配给内核空间。占用内核地址空间最大的部分是物理内存的虚拟映射，内核无法直接操作没有映射到内核地址空间的内存。低端内存： 只有内存的低端部分拥有逻辑地址。内核的数据结构必须放置在低端内存中。高端内存： 除去低端内存的剩余部分没有逻辑地址。它们处于内核虚拟地址之上。-内存映射和页结构内核使用逻辑地址来引用物理内存中的页。为解决在高端内存中无法使用逻辑地址的问题，内核中处理内存的函数趋向于使用指向page结构的指针。page结构用来保存内核需要知道的所有物理内存信息，对系统中的每个物理页，都有一个page结构相对应。-page结构的几个成员：atomic_t count; 对该页的访问计数。void *virtual; 如果页面被映射，则指向页的内核虚拟地址； 如果未被映射，则为NULL。 低端内存页总是被映射，而高端内存页通常不被映射。unsigned long flags; 描述页状态的一系列标志。 PG_locked表示内存中的页已经被锁住， 而PG_reserved表示禁止内存管理系统访问该页。-内核维护了一个或者多个page结构的数组，用来跟踪系统中的物理内存。-有一些函数和宏用来在page结构指针与虚拟地址之间进行转换：struct page *virt_to_page(void *kaddr); 将内核逻辑地址转换为响应的page结构指针。struct page *pfn_to_page(int pfn);针对给定的页帧号，返回page结构指针。void *page_address(struct page *page); 如果地址存在的话，则返回页的内核虚拟地址。void *kmap(struct page *page); 为系统中的页返回内核虚拟地址。对于低端内存页，它只返回页的逻辑地址；对于高端内存页，kmap在专用的内核地址空间创建特殊的映射。void kunmap(struct page *page);释放由kmap创建的映射。void *kmap_atomic(struct page *page,enum km_type type);void kunmap_atomic(void *addr,enum km_type type);,是kmap的高性能版本。-页表在任何现代的系统中，处理器必须使用某种机制，将虚拟地址转化为响应的物理地址，这种机制成为页表。-虚拟内存区虚拟内存区(VMA)用于管理进程地址空间中不同区域的内核数据结构。可以将其描述为“拥有自身属性的内存对象”。进程的内存映射包含下面这些区域：*可执行代码区域*多个数据区：初始化数据，非初始化数据(BSS),程序堆栈。*与每个活动的内存映射对应的区域#cat /proc/1/maps可以了解进程的内存区域。/proc/self始终指向当前进程。每行都是用下面的形式表示的：start-end perm offset major:minor inode image在/proc/*/maps中的每个成员(除映像名外)都与vm_area_struct结构中的一个成员对应：startend该内存区域的起始处和结束处的虚拟地址。perm读、写和执行权限，最后一位若是p表示私有，s表示共享。offset内存区域在映射文件中的起始位置。majorminor拥有映射文件的设备的主设备号和次设备号。inode被映射的文件的索引节点号。image被映射文件的名称。-vm_area_struct结构当用户空间进程调用mmap，将设备内存映射到它的地址空间时，系统通过创建一个表示该映射的新VMA作为响应。支持mmap的驱动程序需要帮助进城完成VMA的初始化。vm_area_struct结构是在中定义的。VMA的主要成员如下：unsigned long vm_start;unsigned long vm_end;该VMA所覆盖的虚拟地址范围。struct file *vm_file;指向与该区域相关联的file结构指针。unsigned long vm_pgoff;以页为单位，文件中该区域的偏移量。unsigned long vm_flags;描述该区域的一套标志。struct vm_operations_struct *vm_ops;内核能调用的一套函数，用来对该内存区进行操作。它的存在表示内存区域是一个内核“对象”。void *vm_private_data;驱动程序用来保存自身信息的成员。vm_operations_struct结构的几个成员：void (*open)(struct vm_area_struct *vma);void (*close)(struct vm_area_struct *vma);struct page *(*nopage)(struct vm_area_struct *vma, unsigned long address,int *type);int (*populate)(struct vm_area_struct *vm, unsigned long address,unsigned long len, pgprot_t prot,unsigned long pgoff,int nonblock);-内存映射处理在系统中的每个进程都拥有一个struct mm_struct结构,其中包含了虚拟内存区域链表、页表以及其他大量内存管理信息，还包含一个信号灯(mmap_sem)和一个自旋锁(page_table_lock)。-mmap设备操作对于驱动程序来说，内存映射可以提供给用户程序直接访问设备内存的能力。映射一个设备意味着将用户空间的一段内存与设备内存关联起来。无论何时当程序在分配的地址范围内读写时，实际上访问的就是设备。要注意：像串口和其它面向流的设备不能进行mmap抽象。必须以PAGE_SIZE为单位进行映射。-rmpap_pfn_range和io_remap_page_range为一段物理地址建立新的页表。int remap_pfn_range(struct vm_area_struct *vm, unsigned long virt_addr,unsigned long pfn, unsigned long size,pgprot_t prot);int io_remap_page_range(struct vm_area_struct *vma, unsigned long virt_addr,unsigned long phys_addr, unsigned long size,pgprot_t prot);vma:虚拟内存区域，在一定范围内的页将被映射到该区域内。virt_addr:重新映射时的起始用户虚拟地址。该函数为处于virt_addr和virt_addr+size 之间的虚拟地址建立页表。pfn:与物理内存对应的页帧号，虚拟内存将要被映射到该物理内存上。size:以字节为单位，被重新映射的区域大小。prot:新VMA要求的保护属性。-一个简单的实现static int simple_remap_mmap(struct file *filp,struct vm_area_struct *vma)if(remap_pfn_range(vma,vma-vm_start,vma-vm_pgoff, vma-vm_end-vma-vm-vm_start,vma-vm_page_prot) return -EAGAIN;vma-vm_ops = &simple_remap_vm_ops;simple_vma_open(vma);return 0;可见，重新映射内存就是调用remap_pfn_range函数创建所需的页表。-为VMA添加操作vm_area_struct结构包含了一系列针对VMA的操作。void simple_vma_open(struct vm_area_struct *vma)printk(KERN_NOTICE Simple VMA open,virt %lx,phys %lxn, vma-vm_start,vma-vm_pgoff PAGE_SHIFT);void simple_vma_close(struct vm_area_struct *vma)printk(KERN_NOTICE Simple VMA close.n);static struct vm_operations_struct simple_remap_vm_ops = .open = simple_vma_open,.close = simple_vma_close,;-使用nopage映射内存有时驱动程序对mmap的实现必须具有更好的灵活性，在这种情况下，提倡使用VMA的nopage方法实现内存映射。如果要支持mremap系统调用，就必须实现nopage函数。struct page *(*nopage)(struct vm_area_struct *vma, unsigned long address,int *type);-重映射特定的I/O区域一个典型的驱动程序只映射与其外围设备相关的一小段地址，而不是映射全部地址。-重新映射RAM-使用nopage方法重映射RAM-重新映射内核虚拟地址-执行直接I/O访问实现直接I/O的关键是get_user_pages()函数：int get_user_pages(struct task_struct *tsk,struct mm_struct *mm, unsigned long start,int len,int write,int force, struct page *pages,struct vm_area_struct *vmas);-异步I/Ossize_t (*aio_read)(),ssize_t (*aio_write)(),ssize_t (*aio_fsync)()-直接内存访问 DMADMA是一种硬件机制，它允许外围设备和主内存之间直接传输它们的I/O数据，而不需要系统处理器的参与。-DMA数据传输概览有两种方式引发数据传输：1,软件对数据的请求,比如通过read函数。2,硬件异步地将数据传递给系统。第一种情况的步骤如下：1)当进程调用read,驱动程序分配一个DMA缓冲区，并让硬件将数据传输到这个缓冲区中。进程处于睡眠状态。2)硬件将数据写入到DMA缓冲区中，当写入完毕，产生一个中断。3)中断处理程序获得输入的数据，应答中断，并且唤醒进程，该进程即可读取数据。第二种情况发生在异步使用DMA时。比如对于一个数据采集设备，即使没有进程读取数据，它也不断地写入数据。此时，驱动程序应该维护一个缓冲区，其后的read调用将返回所有积累的数据给用户空间。这种传输方式的步骤如下：1)硬件产生中断，宣告新数据的到来。2)中断处理程序分配一个缓冲区，并且告诉硬件向哪里传输数据。3)外围设备将数据写入缓冲区，完成后产生另外一个中断。4)处理程序分发新数据，唤醒任何相关进程，然后执行清理工作。高效的DMA处理依赖于中断报告!-分配DMA缓冲区使用DMA缓冲区的主要问题是：当大于一页时，它们必须占据连续的物理页，这是因为使用ISA或者PCI系统总线传输数据，而这两种方式使用的都是物理地址。驱动程序作者必须谨慎地为DMA操作分配正确的内存类型，因为并不是所有内存区间都适合DMA操作。在实际操作中，一些设备和一些系统中的高端内存不能用于DMA，这是因为外围设备不能使用高端内存的地址。对于有限制的设备，应使用GFP_DMA标志调用kmalloc或者get_free_pages从DMA区间分配内存。另外，还可以通过使用通用DMA层来分配缓冲区。-总线地址使用DMA的设备驱动程序将与连接到总线接口上的硬件通信，硬件使用的是物理地址，而程序代码使用的是虚拟地址。实际上，基于DMA的硬件使用总线地址，而非物理地址。的一些函数提供了可移植的方案：unsigned long virt_to_bus(volatile void *address);void *bus_to_virt(unsigned long address);这些函数在内核逻辑地址和总线地址间执行了简单的转换。-通用DMA层DMA操作最终会分配缓冲区，并将总线地址传递给设备。内核提供了一个与总线-体系架构无关的DMA层，它会隐藏大多数问题。在编写驱动程序时，为DMA操作使用该层。device结构该结构是在Linux设备模型中用来表示设备底层的，驱动程序通常不直接使用该结构，但是，在使用通用DMA层时，需要使用它。该结构内部隐藏了描述设备的总线细节。 -处理复杂的硬件是否给定的设备在当前主机上具备执行DMA操作的能力?因为有的设备受限于24位寻址。可以用dma_set_mask()函数解决。-DMA映射一个DMA映射是要分配的DMA缓冲区与为该缓冲区生成的、设备可访问地址的组合。DMA映射建立了一个新的结构类型-dma_addr_t来表示总线地址。dma_addr_t类型的变量对驱动程序是不透明的，唯一允许的操作是将它们传递给DMA支持例程以及设备本身。根据DMA缓冲区期望保留的时间长短，PCI代码有两种DMA映射:1)一致性映射2)流式DMA映射(推荐)-建立一致性DMA映射void *dma_alloc_coherent(struct device *dev,size_t size, dma_addr_t *dma_handle,int flag);该函数处理了缓冲区的分配和映射。前两个参数是device结构和所需缓冲区的大小。函数在两处返回结果：1)函数的返回值时缓冲区的内核虚拟地址，可以被驱动程序使用。2)相关的总线地址则保存在dma_handle中。向系统返回缓冲区void dma_free_coherent(struct device *dev,size_t size, void *vaddr,dma_addr_t dma_handle);-DMA池DMA池是一个生成小型、一致性DMA映射的机制。调用dma_alloc_coherent函数获得的映射，可能其最小大小为单个页。如果设备需要的DMA区域比这还小，就要用DMA池了。struct dma_pool *dma_pool_create(const char *name,struct device *dev, size_t size,size_t align, size_t allocation);name是DMA池的名字，dev是device结构，size是从该池中分配的缓冲区大小，align是该池分配操作所必须遵守的硬件对齐原则。销毁DMA池void dma_pool_destroy(struct dma_pool *pool);DMA池分配内存void *dma_pool_alloc(struct dma_pool *pool,int mem_flags, dma_addr_t *handle);释放内存void dma_pool_free(struct dma_pool *pool,void *vaddr,dma_addr_t addr);-建立流式DMA映射流式映射具有比一致性映射更为复杂的接口。这些映射希望能与已经由驱动程序分配的缓冲区协同工作，因而不得不处理那些不是它们选择的地址。当建立流式映射时，必须告诉内核数据流动的方向。枚举类型dma_data_direction:DMA_TO_DEVICE 数据发送到设备(如write系统调用)DMA_FROM_DEVICE 数据被发送到CPUDMA_BIDIRECTIONAL 数据可双向移动DMA_NONE 出于调试目的。当只有一个缓冲区要被传输的时候，使用dma_map_single函数映射它:dma_addr_t dma_map_single(struct device *dev,void *buffer,size_t size, enum dma_data_direction direction);返回值是总线地址，可以把它传递给设备。当传输完毕后，使用dma_unmap_single函数删除映射：void dma_unmap_single(struct device *dev,dma_addr_t dma_addr,size_t size, enum dma_data_direction direction);流式DMA映射的几条原则:*缓冲区只能用于这样的传送，即其传送方向匹配于映射时给定的方向。*一旦缓冲区被映射，它将属于设备，而不是处理器。直到缓冲区被撤销映射前，驱动程序不能以任何方式访问其中的内容。*在DMA处于活动期间内，不能撤销对缓冲区映射，否则会严重破坏系统的稳定性。驱动程序需要不经过撤销映射就访问流式DMA缓冲区的内容，有如下调用：void dma_sync_single_for_cpu(struct device *dev,dma_handle_t bus_addr, size_t size,enum dma_data_direction direction);将缓冲区所有权交还给设备：void dma_sync_single_for_device(struct device *dev,dma_handle_t bus_addr, size_t size,enum dma_data_direction direction);-单页流式映射有时候，要为page结构指针指向的缓冲区建立映射，比如为get_user_pages获得的用户空间缓冲区。dma_addr_t dma_map_page(struct device *dev,struct page *page, unsigned long offset,size_t size, enum dma_data_direction direction);void dma_unmap_page(struct device *dev,dma_addr_t dma_address, size_t size,enum dma_data_direction direction);-分散/聚集映射有几个缓冲区，它们需要与设备双向传输数据。可以简单地依次映射每一个缓冲区并且执行请求的操作，但是一次映射整个缓冲区表还是很有利的。映射分散表的第一步是建立并填充一个描述被传输缓冲区的scatterlist结构的数组。scatterlist结构的成员：struct page *page;unsigned int length;unsigned int offset;映射int dma_map_sg(struct device *dev,struct scatterlist *sg,int nents, enum dma_data_direction direction);解除void dma_unmap_sg(struct device *dev,struct scatterlsit *list, int nents,enum dma_data_direction direction);-PCI双重地址周期映射通用DMA支持层使用32位总线地址，然而PCI总线还支持64位地址模式，即双重地址周期(DAC)。通用DMA层并不支持该模式。要使用PCI总线的DAC，必须设置一个单独的DMA掩码：int pci_dac_set_dma_mask(struct pci_dev *pdev,u64 mask);建立映射dma64_addr_t pci_dac_page_to_dma(struct pci_dev *pdev,struct page *page, unsigned long offset,int direction);-一个简单的PCI DMA例子这里提供了一个PCI设备的DMA例子dad(DMA Acquisition Device)的一部分，说明如何使用DMA映射：int dad_transfer(struct dad_dev *dev,int write,void *buffer,size_t count)dma_addr_t bus_addr;dev-dma_dir = (write ? DMA_TO_DEVICE : DMA_FROM_DEVICE);dev-dma_size = count;/*映射DMA需要的缓冲区*/bus_addr = dma_map_single(&dev-pci_dev-dev,buffer,count,dev-dma_dir);writeb(dev-mand,DAD_CMD_DISABLEDMA);writeb(dev-mand,write ? DAD_CMD_WR : DAD_CMD_RD);writeb(dev-registers.addr,cpu_to_le32(bus_addr); /*设置*/writeb(dev-registers.len,cpu_to_le32(count);/*开始操作*/writeb(dev-mand,DAD_CMD_ENABLEDMA);return 0;该函数映射了准备进行传输的缓冲区并且启动设备操作。另一半工作必须在中断服务例程中完成，如：void dad_interrupt(int irq,void *dev_id,struct pt_regs *regs)struct dad_dev *dev = (struct dad_dev *)dev_id;/* 确定中断是由对应的设备发来的*/dma_unmap_single(dev-pci_dev-dev,dev-dma_addr, dev-dma_size,dev-dma_dir);/* 释放之后，才能访问缓冲区，把它拷贝给用户 */.-ISA设备的DMAISA总线允许两种DMA传输:本地DMA和ISA总线控制DMA。只讨论本地(native)DMA。*非常重要!本地DMA使用主板上的标准DMA控制器电路来驱动ISA总线上的信号线。本地DMA，要关注三种实体：*8237 DMA控制器(DMAC) 控制器保存了有关DMA传输的信息，如方向、内存地址、传输数据量大小等。 还包含了一个跟踪传送状态的计数器。 当控制器接收到一个DMA请求信号时，它将获得总线控制权并驱动信号线， 这样设备就能读写数据了。*外围设备 当设备准备传送数据时，必须激活DMA请求信号。 DMAC负责管理实际的传输工作；当控制器选通设备后， 硬件设备就可以顺序地读/写总线上的数据。 当传输结束时，设备通常会产生一个中断。*设备驱动程序 设备驱动程序完成的工作很少， 它只是负责提供DMA控制器的方向、总线地址、传输量的大小等。 它还与外围设备通信，做好传输数据的准备，当DMA传输完毕后，响应中断。在PC中使用的早期DMA控制器能够管理四个“通道”，每个通道都与一套DMA寄存器相关联。DMA控制器是系统资源，因此，内核协助处理这一资源。内核使用DMA注册表为DMA通道提供了请求/释放机制，并且提供了一组函数在DMA控制器中配置通道信息。-注册DMAint request_dma(unsigned int channel,const char *name);void free_dma(unsigned int channel);在open操作时请求通道，比在模块初始化函数中请求通道要好一些。注意：使用DMA的每个设备需要一根IRQ线，否则它将无法通知数据已经传输完毕。open-int dad_open(struct inode *inode,struct file *filp)sturct dad_device *my_device;.if(error = request_irq(my_device.irq,dad_interrupt, SA_INTERRUPT,dad,NULL) return error;if(error = request_dma(my_device.dma,dad) free_irq(my_device.irq,NULL); return error;.return 0;close-void dad_close(struct inode *inode,struct file *filp)struct dad_device *my_device;.free_dma(my_device.dma);free_irq(my_device.irq,NULL);.-与DMA控制器通信注册之后，驱动程序的主要任务包括为适当的操作配置DMA控制器。幸运的是，内核导出了驱动程序所需要的所有函数。当read或者write函数被调用时，或者准备异步传输时，驱动程序都要对DMA控制器进行配置。unsigned long claim_dma_lock(); 获得DMA自旋锁void release_dma_lock(unsigned long flags); 返回DMA自旋锁void set_dma_mode(unsigned int channel,char mode);表明是从设备读入通道(DMA_MODE_READ),还是向设备写入数据(DMA_MODE_WRITE)。void set_dma_addr(unsigned int channel,unsigned int addr);为DMA缓冲区分配地址。该函数将addr的最低24位存储到控制器中。addr参数必须是总线地址。void set_dma_count(unsigned int channel,unsigned int count);为传输的字节量赋值。void disable_dma(unsigned int channel);控制器内的DMA通道可以被禁用。void enable_dma(unsigned int channel);该函数告诉控制器，DMA通道包含了合法的数据。int get_dma_residue(unsigned int channel);驱动程序有时需要知道DMA传输是否已经结束。该函数返回还未传输的字节数。void clear_dma_ff(unsigned int channel);该函数清除了DMA的触发器。使用这些函数，驱动程序可以实现如下函数，为DMA传输做准备：-int dad_dma_prepare(int channel,int mode,unsigned int buf, unsigned int count)