DMA（直接内存访问）

直接内存访问 (DMA) 功能允许硬件访问 内存不足，而无需 CPU 干预。 在最高级别，为硬件指定 要传输的内存区域（及其大小），并被告知复制数据。 一些硬件外围设备甚至支持 "散布 / 收集"多个复制操作 可以逐个执行，而无需额外的 CPU 干预。

DMA 注意事项

为了充分了解所涉及的问题，请务必 请注意以下几点：

  • 每个进程都在虚拟地址空间中运行，
  • MMU 可以将一个连续的虚拟地址范围映射到多个、 不连续的物理地址范围（反之亦然），
  • 每个进程的物理地址空间窗口有限，
  • 一些外围设备支持自己的虚拟地址 并配有输入 / 输出内存管理单元 (IOMMU)。

下面我们将依次介绍各个要点。

虚拟、物理和设备物理地址

进程有权访问的地址是虚拟地址；也就是说， CPU 的内存管理单元 (MMU) 创建的错觉。 MMU 会将虚拟地址映射到实际地址。 映射粒度基于名为“页面大小”的参数哪个 至少为 4k 字节，但现代处理器支持更大大小。

图：虚拟地址与实际地址之间的关系

在上图中，我们展示了具体的流程（流程 12），该流程包含 虚拟地址（蓝色）。 MMU 负责将蓝色虚拟地址映射到 CPU 物理地址 总线地址（红色）。 每个进程都有自己的映射；即使进程 12 包含虚拟地址 300，则一些其他进程也可能具有虚拟地址 300。 系统会映射其他进程的虚拟地址 300（如果存在） 与进程 12 中的实际地址不同

请注意，我们使用较小的十进制数字作为“地址”让讨论简单易懂 实际上，上面显示的每个方块都代表一页内存（4k 或更多）， 由 32 位或 64 位值标识（具体取决于平台）。

图中显示的要点如下：

  1. 虚拟地址可按组（显示三个地址，300-303、420-421、 和 770-771）、
  2. 几乎连续（例如300-303）未必是连续的。
  3. 某些虚拟地址未映射（例如，没有虚拟地址） 304)
  4. 并非所有物理地址都可供每个进程（例如，进程 12 无权访问实际地址 120。

设备的地址空间取决于平台上可用的硬件 可能会采用类似翻译，也可能不会采用类似的翻译。 如果没有 IOMMU，外围设备使用的地址与 CPU 使用的物理地址：

图：不使用 IOMMU 的设备

在上图中，部分设备地址空间（例如， 帧缓冲区或控制寄存器）直接显示在 CPU 的物理 指定地址范围 也就是说，设备占用物理地址 122 到 125 （含边界值）。

要使进程访问设备内存，需要创建 从一些虚拟地址映射到实际地址的 MMU（122 至 125。 下面我们将介绍如何操作。

但使用 IOMMU 时，外设看到的地址可能不同于 CPU 的物理地址：

图：使用 IOMMU 的设备

在这里，设备有自己的“device-physical”知道它自己知道的地址， 即地址 0 到 3（含边界值）。 设备物理地址 0 到 3 的映射由 IOMMU 决定 CPU 物理地址 109、110、101 和 119。

在这种情况下，为了让进程使用设备内存，它需要 来安排两个映射：

  • 一个集合（例如，300 至 303）发送到 CPU 物理地址空间（分别为 109、110、101 和 119）， 通过 MMU 进行的，
  • 一组来自 CPU 物理地址空间（地址 109、110、101、 和 119）通过 IOMMU 传送到设备物理地址（0 到 3）。

虽然这看起来很复杂，但 Zircon 提供了一个抽象概念， 降低复杂性

另外，我们将在下文中看到 与使用 MMU 获得的结果相似。

内存的连续性

分配大块内存时（例如使用 calloc()）： 当然，您的进程会看到一个较大、连续的虚拟地址范围。 MMU 在虚拟寻址处营造出连续内存的错觉 即使 MMU 可能会选择使用物理内存来支持该内存区域 在物理地址级别分配不连续内存。

此外，当进程分配和取消分配内存时， 从物理内存到虚拟地址空间的 以便吸引更多“瑞士奶酪”空洞（即 更多不连续性）。

因此，请务必记住连续的虚拟地址 并不一定是连续的物理地址， 会随着时间推移而变得越来越宝贵

访问权限控制

MMU 的另一个好处是，流程在 物理内存（出于安全性和可靠性方面的考虑）。 不过，对驱动程序的影响在于，进程必须明确请求 从虚拟地址空间到物理地址空间的映射，以及 拥有执行此操作所需的必要特权。

IOMMU

通常首选连续物理内存。 进行一次传输会更加高效（包含一个源地址和一个 目标地址）比设置和管理 传输（可能需要在每次传输 以便设置下一个）。

IOMMU（如果有的话）可通过对 CPU 的 MMU 针对进程执行的操作 - 它会为外围设备 就像是处理一个连续的地址空间 将多个不连续的数据块映射到几乎连续的空间。 通过限制映射区域，IOM 还可以确保安全性（与 而 MMU 会这样做），方法是阻止外围设备访问不在“范围内”的内存 用于当前操作。

融会贯通

因此，您似乎需要同时考虑虚拟、物理和设备-物理 地址空间。 但事实并非如此。

DMA 和您的驱动程序

Zircon 提供了一系列函数，可让您清晰地处理 。 以下工具可以配合使用：

  • Bus Transaction Initiator (BTI) 以及
  • 虚拟内存对象 (VMO)。

BTI 内核对象提供模型的抽象化，以及用于处理 与设备关联的物理（或设备物理）地址 VMO。

在驱动程序的初始化中，调用 Pci::GetBti() 来获取 BTI 句柄：

#include <lib/device-protocol/pci.h>

zx_status_t Pci::GetBti(uint32_t index,
                        zx::bti* out_bti);

GetBti() 函数位于 ddk::Pci 类中（就像所有其他 PCI 函数一样） 使用 index 参数（预留供日后使用，请使用 0）。 它会返回一个 BTI 通过 out_bti 指针参数传递对象。

接下来，您需要一个 VMO。 简单地说，您可以将 VMO 作为指向内存块的指针 但它不仅仅是一个代表某个集合的内核对象， 虚拟网页（不一定拥有实体网页）、 该地址可映射到驱动程序进程的虚拟地址空间中。 （结果还不止这些，不过这是关于另外一个章节的讨论。）

最终，这些网页将用作 DMA 传输的来源或目标。

其中有两个函数： zx_vmo_create() 和 zx_vmo_create_contiguous() 分配内存并将其绑定到 VMO：

zx_status_t zx_vmo_create(uint64_t size,
                          uint32_t options,
                          zx_handle_t* out);

zx_status_t zx_vmo_create_contiguous(zx_handle_t bti,
                                     size_t size,
                                     uint32_t alignment_log2,
                                     zx_handle_t* out);

如您所见，它们都接受 size 参数，指示所需的字节数。 并且都会返回 VMO（通过 out）。 它们都会针对给定大小分配几乎连续的页面。

请注意，这与标准 C 库的内存分配函数不同， （例如 malloc()），此类分配会分配几乎连续的内存，但不 页面边界的相关概念一行中的两个小规模 malloc() 调用可能会分配 例如，来自同一页面中的两个内存区域，而 VMO 创建函数始终从新页面开始分配内存。

通过 zx_vmo_create_contiguous() 函数的作用是什么 zx_vmo_create() 并且确保这些网页内容 经过整理，以便与指定的 BTI 结合使用 （这就是它需要 BTI 句柄的原因）。 它还具有一个 alignment_log2 参数，可用于指定最低 对齐要求。 顾名思义，它必须是 2 的整数次方（其中值 0 表示 页面对齐）。

此时，您有两个“视图”分配的内存：

  • 表示内存空间的连续虚拟地址空间 以及
  • 一组（可能是连续的，也可能是承诺的）物理页 以供外围设备使用

使用这些页面之前，您需要确保它们位于内存中（也就是说， “已提交”您的进程可访问这些物理页面），并且 外设可以访问它们（通过 IOMMU，如果有的话）。 您还需要提供网页的网址（从设备的角度来看） 这样您便可以在设备上对 DMA 控制器进行编程来访问它们。

通过 zx_bti_pin() 函数来完成所有这些操作：

#include <zircon/syscalls.h>

zx_status_t zx_bti_pin(zx_handle_t bti, uint32_t options,
                       zx_handle_t vmo, uint64_t offset, uint64_t size,
                       zx_paddr_t* addrs, size_t addrs_count,
                       zx_handle_t* pmt);

此函数有 8 个参数：

参数 用途
bti 此外围设备的 BTI
options 选项（见下文）
vmo 该内存区域的 VMO
offset 从 VMO 开始的偏移量
size VMO 中的字节总数
addrs 退货地址列表
addrs_count addrs中的元素数量
pmt 返回的是 PMT（见下文）

addrs 形参是指向您提供的 zx_paddr_t 数组的指针。 这是每个页面的外围设备地址的返回位置。 该数组长度为 addrs_count 个元素，必须与 元素 zx_bti_pin()。

写入 addrs 的值适用于对外围设备的 DMA 控制器 - 也就是说，它们会考虑所有 由 IOMMU 执行（如果存在）。

从技术角度来看 zx_bti_pin() 内核会确保这些页面不会被 固定后（即移动或重复使用）。

options 参数实际上是选项的位图：

选项 用途
ZX_BTI_PERM_READ 外设可以读取页面（由驱动程序写入）
ZX_BTI_PERM_WRITE 页可以由外围设备写入（由驱动程序读取）
ZX_BTI_COMPRESS （请参阅下文的“最小连续性属性”）

例如，请参阅上方显示“设备 3”的图表。 如果存在 IOMMU，addrs 将包含 0、1、2 和 3（即 设备物理地址）。 如果不存在 IOMMU，addrs 将包含 109、110、101 和 119（即 实际地址）。

权限

请注意，这些权限是 而不是驱动程序。 例如，在块设备写入操作中，设备会从内存页面读取内容，并且 因此驱动程序在块设备读取中指定 ZX_BTI_PERM_READ，反之亦然。

最小连续性属性

默认情况下，通过 addrs 返回的每个地址的长度为一页。 可以通过设置 ZX_BTI_COMPRESS 选项来请求更大的分块 。options 在这种情况下，返回的每个条目的长度均对应于“最小连续性”属性。 虽然您无法设置此属性，但可以通过 zx_object_get_info(). 实际上，最小连续性属性可保证 zx_bti_pin() 将始终能够返回至少在这么长的字节数中是连续的地址。

例如，如果属性的值为 1MB，则调用 zx_bti_pin() 请求的大小为 2MB 的请求最多会返回两次物理上连续的运行。 如果请求的大小为 2.5MB，则最多返回三次物理上连续的运行， 依此类推。

固定内存令牌 (PMT)

zx_bti_pin() 会返回已固定的内存令牌 （PMT） 在 pmt 参数中成功触发代码。 当设备处于以下状态时，驱动程序必须调用 zx_pmt_unpin() 取消固定和撤消设备对内存页面的访问权限。

高级主题

缓存一致性

在完全 DMA 一致的架构中，硬件确保 CPU 缓存中的数据相同 存储为主内存中的数据，而无需软件干预并非所有架构 符合 DMA。在这些系统中，驱动程序必须通过 在执行 DMA 操作之前，对内存范围调用适当的缓存操作； 这样就不会访问过时的数据

为了调用由以下参数表示的内存的缓存操作： VMO 时，请使用 zx_vmo_op_range() 系统调用。在读取外围设备之前 （驱动程序写入）操作，请使用 ZX_VMO_OP_CACHE_CLEAN 清理缓存，以便将脏数据写出 主内存在进行外围设备写入（驱动程序读取）之前，请使用 ZX_VMO_OP_CACHE_CLEAN_INVALIDATE 执行以下操作 清理缓存行并将其标记为无效，确保下次能够从主内存提取数据 访问权限。