第 15 章 内存映射和 DMA

第 15 章 内存映射和 DMA

本章研究 Linux 内存管理的部分, 重点在对于设备驱动作者有用的技术. 许多类型的驱动编程需要一些对于虚拟内存子系统如何工作的理解; 我们在本章涉及到的材料来自手头, 而不是象我们曾进入更加复杂和性能关键的子系统一样. 虚拟内存子系统也是 Linux 内核核心的非常有趣的部分, 并且因而, 值得一见.

本章的材料分为 3 个部分:

• 第一部分涉及 mmap 系统调用的实现, 它允许设备内存直接映射到一个用户进程地址空间. 不是所有的设备需要 mmap 支持, 但是, 对一些, 映射设备内存可产生可观的性能提高.

• 我们接着看从其他的方向跨过边界, 用对直接存取用户空间的讨论. 相对少驱动需要这个能力; 在大部分情况下, 内核做这种映射而驱动甚至不知道它. 但是了解如何映射用户空间内存到内核(使用 get_user_pages)会有用.

• 最后一节涵盖直接内存存取( DMA ) I/O 操作, 它提供给外设对系统内存的直接存取.

当然, 所有这些技术需要一个对 Linux 内存管理如何工作的理解, 因此我们从对这个子系统的总览开始.

15.1. Linux 中的内存管理

不是描述操作系统的内存管理理论, 本节试图指出 Linux 实现的主要特点. 尽管你不必是一位 Linux 虚拟内存专家来实现 mmap, 一个对事情如何工作的基本了解是有用的. 下面是一个相当长的对内核使用来管理内存的数据结构的描述. 一旦必要的背景已被覆盖, 我们就进入使用这个结构.

15.1.1. 地址类型

Linux 是, 当然, 一个虚拟内存系统, 意味着用户程序见到的地址不直接对应于硬件使用的物理地址. 虚拟内存引入了一个间接层, 它允许了许多好事情. 有了虚拟内存, 系统重运行的程序可以分配远多于物理上可用的内存; 确实, 即便一个单个进程可拥有一个虚拟地址空间大于系统的物理内存. 虚拟内存也允许程序对进程的地址空间运用多种技巧, 包括映射成员的内存到设备内存.

至此, 我们已经讨论了虚拟和物理地址, 但是许多细节被掩盖过去了. Linux 系统处理几种类型的地址, 每个有它自己的含义. 不幸的是, 内核代码不是一直非常清楚确切地在每个情况下在使用什么类型地地址, 因此程序员必须小心.

下面是一个 Linux 中使用的地址类型列表. 图 Linux 中使用的地址类型显示了这个地址类型如何关联到物理内存.

图 15.1. Linux 中使用的地址类型

User virtual addresses
这是被用户程序见到的常规地址. 用户地址在长度上是 32 位或者 64 位, 依赖底层的硬件结构, 并且每个进程有它自己的虚拟地址空间.

Physical addresses
在处理器和系统内存之间使用的地址. 物理地址是 32- 或者 64-位的量; 甚至 32-位系统在某些情况下可使用更大的物理地址.

Bus addresses
在外设和内存之间使用的地址. 经常, 它们和被处理器使用的物理地址相同, 但是这不是必要的情况. 一些体系可提供一个 I/O 内存管理单元(IOMMU), 它在总线和主内存之间重映射地址. 一个 IOMMU 可用多种方法使事情简单(例如, 使散布在内存中的缓冲对设备看来是连续的, 例如), 但是当设定 DMA 操作时对 IOMMU 编程是一个必须做的额外的步骤. 总线地址是高度特性依赖的, 当然.

Kernel logical addresses
这些组成了正常的内核地址空间. 这些地址映射了部分(也许全部)主存并且常常被当作它们是物理内存来对待. 在大部分的体系上, 逻辑地址和它们的相关物理地址只差一个常量偏移. 逻辑地址使用硬件的本地指针大小并且, 因此, 可能不能在重装备的 32-位系统上寻址所有的物理内存. 逻辑地址常常存储于 unsigned long 或者 void * 类型的变量中. 从 kmalloc 返回的内存有内核逻辑地址.

Kernel virtual addresses
内核虚拟地址类似于逻辑地址, 它们都是从内核空间地址到物理地址的映射. 内核虚拟地址不必有逻辑地址空间具备的线性的, 一对一到物理地址的映射, 但是. 所有的逻辑地址是内核虚拟地址, 但是许多内核虚拟地址不是逻辑地址. 例如, vmalloc 分配的内存有虚拟地址(但没有直接物理映射). kmap 函数(本章稍后描述)也返回虚拟地址. 虚拟地址常常存储于指针变量.

如果你有逻辑地址, 宏 pa() ( 在 <asm/page.h> 中定义)返回它的关联的物理地址. 物理地址可被映射回逻辑地址使用 va(), 但是只给低内存页.

不同的内核函数需要不同类型地址. 如果有不同的 C 类型被定义可能不错, 这样请求的地址类型是明确的, 但是我们没有这样的好运. 在本章, 我们尽力对在哪里使用哪种类型地址保持清晰.

15.1.2. 物理地址和页

物理内存被划分为离散的单元称为页. 系统的许多内部内存处理在按页的基础上完成. 页大小一个体系不同于另一个, 尽管大部分系统当前使用 4096-字节的页. 常量 PAGE_SIZE (定义在 <asm/page.h>) 给出了页大小在任何给定的体系上.

如果你查看一个内存地址 - 虚拟或物理 - 它可分为一个页号和一个页内的偏移. 如果使用 4096-字节页, 例如, 12 位低有效位是偏移, 并且剩下的, 高位指示页号. 如果你丢弃偏移并且向右移动剩下的部分 offset 位, 结果被称为一个页帧号 (PFN). 移位来在页帧号和地址之间转换是一个相当普通的操作. 宏 PAGE_SHIFT 告诉必须移动多少位来进行这个转换.