Linux內核內存分配 Linux系統使用了一種稱為“虛擬內存”的機制。虛擬內存機制使得每個內存地址都是虛擬的，這意味著它們不會直接指向RAM中的任何地址。這樣我們訪問內存中的存儲單元時，都會進行地址轉換以匹配相應的物理內存 在Linux系統中，內核中的每個進程都表示為一個task_struct結構體實例，該結構體實例表征并描述了這個進程。在進程開始運行之前，系統會為其分配一個內存映射表，該表存放在struct mm_struct類型的變量中。在內核中，全局變量current時鐘指向當前進程，current->mm字段指向當前的進程內存映射表，struct mm_struct結構定義參見include/linux/mm_types.h 地址轉換和MMU MMU不僅可以將虛擬地址轉換為物理地址，還可以保護內存免受未經授權的訪問。給定一個進程，需要從此進程訪問的任何頁都必須位于一個VMA中，且必須位于進程的頁表中 由于最近訪問的數據存放在緩存中，因此最近轉換的地址也存放在緩存中。數據緩存加快了數據訪問過程，TLB則加快了虛擬地址的轉換過程。TLB是內容可尋址內存，其中鍵是虛擬地址，值是物理地址，其運作過程如下圖所示 內存分配機制 下圖展示了Linux系統中不同的內存分配器。最低級別的分配器是頁分配器，它以頁為單位分配內存，然后是Slab分配器，它建立在頁分配器的基礎上，從中獲取頁并將它們拆分為較小的內存實體，kmalloc分配器依賴于Slab分配器 實現DMA支持 DMA是計算機系統的一種特性，它允許設備在沒有CPU干預的情況下訪問主系統內存，使CPU嫩鞏固專注于其他任務。它的使用示例包括網絡流量加速、音頻數據或視頻幀抓取等，它的使用并不限于特定領域。負責管理DMA事務的外圍設備是DMA控制器，它存在于大多數現代處理器和微控制器中。 DMA的工作方式如下：當驅動程序需要傳輸數據塊時，便使用源地址、目標地址和要復制的總字節數設置DMA控制器，然后DMA控制器自動將數據地址從源地址傳輸到目標地址，而不會占用CPU周期。當剩余字節數為0時，數據塊傳輸結束并通知驅動程序。 DMA引擎API DMA控制器接口由兩部分組成：控制器和通道。控制器執行內存傳輸，通道則是客戶端驅動程序向控制器提交作業的方式 DMA控制器在Linux內核中別抽象為dma_device結構體實例，其定義如下 struct dma_device { struct kref ref; unsigned int chancnt; unsigned int privatecnt; struct list_head channels; struct list_head global_node; struct dma_filter filter; dma_cap_mask_tcap_mask; enum dma_desc_metadata_mode desc_metadata_modes; unsigned short max_xor; unsigned short max_pq; enum dmaengine_alignment copy_align; enum dmaengine_alignment xor_align; enum dmaengine_alignment pq_align; enum dmaengine_alignment fill_align; #define DMA_HAS_PQ_CONTINUE (1 << 15) int dev_id; struct device *dev; struct module *owner; struct ida chan_ida; u32 src_addr_widths; u32 dst_addr_widths; u32 directions; u32 min_burst; u32 max_burst; u32 max_sg_burst; bool descriptor_reuse; enum dma_residue_granularity residue_granularity; int (*device_alloc_chan_resources)(struct dma_chan *chan); int (*device_router_config)(struct dma_chan *chan); void (*device_free_chan_resources)(struct dma_chan *chan); struct dma_async_tx_descriptor *(*device_prep_dma_memcpy)( struct dma_chan *chan, dma_addr_t dst, dma_addr_t src, size_t len, unsigned long flags); struct dma_async_tx_descriptor *(*device_prep_dma_xor)( struct dma_chan *chan, dma_addr_t dst, dma_addr_t *src, unsigned int src_cnt, size_t len, unsigned long flags); struct dma_async_tx_descriptor *(*device_prep_dma_xor_val)( struct dma_chan *chan, dma_addr_t *src,unsigned int src_cnt, size_t len, enum sum_check_flags *result, unsigned long flags); struct dma_async_tx_descriptor *(*device_prep_dma_pq)( struct dma_chan *chan, dma_addr_t *dst, dma_addr_t *src, unsigned int src_cnt, const unsigned char *scf, size_t len, unsigned long flags); struct dma_async_tx_descriptor *(*device_prep_dma_pq_val)( struct dma_chan *chan, dma_addr_t *pq, dma_addr_t *src, unsigned int src_cnt, const unsigned char *scf, size_t len, enum sum_check_flags *pqres, unsigned long flags); struct dma_async_tx_descriptor *(*device_prep_dma_memset)( struct dma_chan *chan, dma_addr_t dest, int value, size_t len, unsigned long flags); struct dma_async_tx_descriptor *(*device_prep_dma_memset_sg)( struct dma_chan *chan, struct scatterlist *sg, unsigned int nents, int value, unsigned long flags); struct dma_async_tx_descriptor *(*device_prep_dma_interrupt)( struct dma_chan *chan, unsigned long flags); struct dma_async_tx_descriptor *(*device_prep_slave_sg)( struct dma_chan *chan, struct scatterlist *sgl, unsigned int sg_len, enum dma_transfer_direction direction, unsigned long flags, void *context); struct dma_async_tx_descriptor *(*device_prep_dma_cyclic)( struct dma_chan *chan, dma_addr_t buf_addr, size_t buf_len, size_t period_len, enum dma_transfer_direction direction, unsigned long flags); struct dma_async_tx_descriptor *(*device_prep_interleaved_dma)( struct dma_chan *chan, struct dma_interleaved_template *xt, unsigned long flags); struct dma_async_tx_descriptor *(*device_prep_dma_imm_data)( struct dma_chan *chan, dma_addr_t dst, u64 data, unsigned long flags); void (*device_caps)(struct dma_chan *chan, struct dma_slave_caps *caps); int (*device_config)(struct dma_chan *chan, struct dma_slave_config *config); int (*device_pause)(struct dma_chan *chan); int (*device_resume)(struct dma_chan *chan); int (*device_terminate_all)(struct dma_chan *chan); void (*device_synchronize)(struct dma_chan *chan); enum dma_status (*device_tx_status)(struct dma_chan *chan, dma_cookie_t cookie, struct dma_tx_state *txstate); void (*device_issue_pending)(struct dma_chan *chan); void (*device_release)(struct dma_device *dev); /* debugfs support */ void (*dbg_summary_show)(struct seq_file *s, struct dma_device *dev); struct dentry *dbg_dev_root; }; DMA通道的結構體定義如下 struct dma_chan { int dev_id;/* this channel is allocated if >= 0, */ /* free otherwise */ void __iomem *io; const char *dev_str; int irq; void *irq_dev; unsigned int fifo_addr; unsigned int mode; }; 請求DMA通道 dma_request_channel()函數用于請求一個通道 struct dma_chan *dma_request_channel(dma_cap_mask_t mask, dma_filter_fn filter_fn, void *filter_param); 配置DMA通道 DMA引擎框架使用struct dma_slave_config數據結構進行配置，該數據結構表示DMA通道的運行時配置，這樣客戶端就可以指定諸如DMA方向、DMA地址、總線寬度和DMA突發成都等外設的參數，struct dma_slave_config數據結構定義如下 struct dma_slave_config { enum dma_transfer_direction direction; phys_addr_t src_addr; phys_addr_t dst_addr; enum dma_slave_buswidth src_addr_width; enum dma_slave_buswidth dst_addr_width; u32 src_maxburst; u32 dst_maxburst; u32 src_port_window_size; u32 dst_port_window_size; bool device_fc; void *peripheral_config; size_t peripheral_size; }; 通過dmaengine_slave_config()函數將這種配置作用于底層硬件上 static inline int dmaengine_slave_config(struct dma_chan *chan, struct dma_slave_config *config) { if (chan->device->device_config) return chan->device->device_config(chan, config); return -ENOSYS; } 配置DMA傳輸 這一步用于確認DMA傳輸的方式，要進行一次DMA傳輸，就需要用到與DMA通道對應的控制器中的一些函數，這些函數名為device_prep_dma_*，例如對于內存到內存的傳輸，使用device_prep_dma_memcpy() struct dma_async_tx_descriptor *tx; struct dma_chan *chan = acdev->dma_chan; dma_cookie_t cookie; unsigned long flags = DMA_PREP_INTERRUPT; int ret = 0; tx = chan->device->device_prep_dma_memcpy(chan, dest, src, len, flags); if (!tx) { dev_err(acdev->host->dev, \"device_prep_dma_memcpy failed\\\\n\"); return -EAGAIN; } 提交DMA傳輸 為了把事務放到驅動程序的事務待處理隊列中，可以使用dmaengine_submit()函數 static inline dma_cookie_t dmaengine_submit(struct dma_async_tx_descriptor *desc) { return desc->tx_submit(desc); } 發出待處理的DMA請求并等待回調通知 啟動傳輸是DMA傳輸設置的最后一步，可以通過在通道上調用dma_async_issue_pending()來激活通道待處理隊列中的傳輸。 static inline void dma_async_issue_pending(struct dma_chan *chan) { chan->device->device_issue_pending(chan); }

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