申請和釋放DMA緩衝區
1、申請和釋放DMA緩衝區
內存中用於與外設交互數據的一塊區域被稱作DMA緩衝區，在設備不支持scatter/gather（SG，分散/聚集）操作的情況下，DMA 緩衝區必須是物理上連續的。
對於ISA設備而言，其DMA操作只能在16MB以下的內存中進行，因此，在使用kmalloc()和__get_free_pages()及其類似函數申請DMA緩衝區時應使用GFP_DMA標誌，這樣能保證獲得的內存是具備DMA能力的（DMA-capable）。內核中定義了__get_free_pages()針對DMA的“快捷方式”__get_dma_pages()，它在申請標誌中添加了GFP_DMA：
#define __get_dma_pages(gfp_mask, order) \
__get_free_pages((gfp_mask) | GFP_DMA,(order))如果不想使用log2size即order為參數申請DMA內存，則可以使用另一個函數dma_mem_alloc()，其源代碼如代碼清單11.17。
代碼清單11.17 dma_mem_alloc()函數
1 static unsigned long dma_mem_alloc(int size)
2 {
3 int order = get_order(size);//大小->指數
4 return __get_dma_pages(GFP_KERNEL, order);
5 }基於DMA的硬件使用總線地址而非物理地址，雖然在PC上，對於ISA和PCI而言，總線地址即為物理地址，但並非每個平台都是如此。因為有時候接口總線被通過橋接電路連接，橋接電路會將I/O地址映射為不同的物理地址。還有一些系統提供了頁面映射機制，它能將任意的頁面映射為連續的外設總線地址。內核提供瞭如下函數用於進行簡單的虛擬地址/總線地址轉換：
unsigned long virt_to_bus(volatile void *address);
void *bus_to_virt(unsigned long address);在必須使用IOMMU或反彈緩衝區的情況下，上述函數一般不會正常工作。而且，這2個函數並不建議被使用。如圖11.13所示，IOMMU的工作原理與CPU內的MMU非常類似，不過它針對的是外設總線地址和內存地址之間的轉化。由於IOMMU可以使得外設看到“虛擬地址”，因此在使用IOMMU的情況下，在修改映射寄存器後，可以使得SG中分段的緩衝區地址對外設變得連續。
圖11.13 MMU與IOMMU
設備並不一定能在所有的內存地址上執行DMA操作，在這種情況下應該通過下列函數執行DMA地址掩碼：
int dma_set_mask(struct device *dev, u64 mask);譬如，對於只能在24位地址上執行DMA操作的設備而言，就應該調用dma_set_mask (dev, 0xffffff)。
DMA映射包括2個方面的工作：分配一片DMA緩衝區；為這片緩衝區產生設備可訪問的地址。同時，DMA映射也必須考慮cache一致性問題。內核中提供了以下函數用於分配一個DMA一致性的內存區域：
void * dma_alloc_coherent(struct device *dev, size_t size, dma_addr_t *handle, gfp_t gfp);上述函數的返回值為申請到的DMA緩衝區的虛擬地址，此外，該函數還通過參數handle返回DMA緩衝區的總線地址。handle的類型為dma_addr_t，代表的是總線地址。
dma_alloc_coherent()申請一片DMA緩衝區，進行地址映射並保證該緩衝區的cache一致性。與dma_alloc_coherent()對應的釋放函數為：
void dma_free_coherent(struct device *dev, size_t size, void *cpu_addr, dma_addr_t handle);以下函數用於分配一個寫合併（writecombining）的DMA緩衝區：
void * dma_alloc_writecombine(struct device *dev, size_t size, dma_addr_t *handle, gfp_t gfp);與dma_alloc_writecombine()對應的釋放“函數”dma_free_writecombine()實際上就是dma_free_coherent()，因為它定義為：
#define dma_free_writecombine(dev,size,cpu_addr,handle) \
dma_free_coherent(dev,size,cpu_addr,handle)此外，Linux內核還提供了PCI 設備申請DMA緩衝區的函數pci_alloc_consistent()，其原型為：
void * pci_alloc_consistent(struct pci_dev *pdev, size_t size, dma_addr_t *dma_addrp);對應的釋放函數為pci_free_consistent()，其原型為：
void pci_free_consistent(struct pci_dev *pdev, size_t size, void *cpu_addr, dma_addr_t dma_addr);相對於一致性DMA映射而言，流式DMA映射的接口較為複雜。對於單個已經分配的緩衝區而言，使用dma_map_single()可實現流式DMA映射，該函數原型為：
dma_addr_t dma_map_single(struct device *dev, void *buffer, size_t size,
enum dma_data_direction direction);如果映射成功，返回的是總線地址，否則，返回NULL。第4個參數為DMA的方向，可能的值包括DMA_TO_DEVICE、DMA_FROM_DEVICE、DMA_BIDIRECTIONAL和DMA_NONE。
dma_map_single()的“反函數”為dma_unmap_single()，原型是：
void dma_unmap_single(struct device *dev, dma_addr_t dma_addr, size_t size,
enum dma_data_direction direction);通常情況下，設備驅動不應該訪問unmap的流式DMA緩衝區，如果一定要這麼做，可先使用如下函數獲得DMA緩衝區的擁有權：
void dma_sync_single_for_cpu(struct device *dev, dma_handle_t bus_addr,
size_t size, enum dma_data_direction direction);在驅動訪問完DMA緩衝區後，應該將其所有權返還給設備，通過如下函數完成：
void dma_sync_single_for_device(struct device *dev, dma_handle_t bus_addr,
size_t size, enum dma_data_direction direction);如果設備要求較大的DMA緩衝區，在其支持SG模式的情況下，申請多個不連續的、相對較小的DMA緩衝區通常是防止申請太大的連續物理空間的方法。在Linux內核中，使用如下函數映射SG：
int dma_map_sg(struct device *dev, struct scatterlist *sg, int nents,
enum dma_data_direction direction);nents是散列表（scatterlist）入口的數量，該函數的返回值是DMA緩衝區的數量，可能小於nents。對於scatterlist中的每個項目，dma_map_sg()為設備產生恰當的總線地址，它會合並物理上臨近的內存區域。
scatterlist結構體的定義如代碼清單11.18所示，它包含了scatterlist對應的page結構體指針、緩衝區在page中的偏移（offset）、緩衝區長度（length）以及總線地址（dma_address）。
代碼清單11.18 scatterlist結構體
1 struct scatterlist
2 {
3 struct page *page;
4 unsigned int offset;
5 dma_addr_t dma_address;
6 unsigned int length;
7 };執行dma_map_sg()後，通過sg_dma_address()可返回scatterlist對應緩衝區的總線地址，sg_dma_len()可返回scatterlist對應緩衝區的長度，這2個函數的原型為：
dma_addr_t sg_dma_address(struct scatterlist *sg);
unsigned int sg_dma_len(struct scatterlist *sg);在DMA傳輸結束後，可通過dma_map_sg()的反函數dma_unmap_sg()去除DMA映射：
void dma_unmap_sg(struct device *dev, struct scatterlist *list,
int nents, enum dma_data_direction direction);SG映射屬於流式DMA映射，與單一緩衝區情況下的流式DMA映射類似，如果設備驅動一定要訪問映射情況下的SG緩衝區，應該先調用如下函數：
void dma_sync_sg_for_cpu(struct device *dev, struct scatterlist *sg,
int nents, enum dma_data_direction direction);訪問完後，通過下列函數將所有權返回給設備：
void dma_sync_sg_for_device(struct device *dev, struct scatterlist *sg,
int nents, enum dma_data_direction direction);Linux系統中可以有一個相對簡單的方法預先分配緩衝區，那就是通過“mem=”參數預留內存。譬如對於內存為64MB的系統，通過給其傳遞mem=62MB命令行參數可以使得頂部的2MB內存被預留出來作為IO內存使用，這2MB內存可以被靜態映射（11.5節），也可以被執行ioremap()。
