Linux DMA映射机制深度解析（从硬件原理到内核实现）

然而，DMAC直接操作的是物理地址，而现代操作系统都使用虚拟内存。驱动程序通常使用虚拟地址来访问缓冲区，这就产生了一个关键问题：如何将虚拟地址对应的物理地址告诉DMAC？这便是DMA映射要解决的核心问题。

2. 为什么需要DMA映射？

假设驱动程序分配了一块内核缓冲区（通过kmalloc或get_free_pages），它获得的是一个虚拟地址。如果直接把这个虚拟地址交给设备，设备无法访问，因为设备不识别MMU。因此，驱动必须将这块缓冲区的物理地址（或经过IOMMU转换后的总线地址）告知设备。同时，还要考虑cache一致性、内存访问权限、跨越DMA限制等问题。Linux内核提供了一套标准的DMA映射API来统一处理这些复杂性。

3. Linux DMA映射API概览

根据映射的生命周期和一致性要求，Linux将DMA映射分为两类：一致性DMA映射（Coherent DMA Mapping）和流式DMA映射（Streaming DMA Mapping）。

3.1 一致性DMA映射

一致性映射通常用于驱动与设备共享的控制结构，如描述符环、状态标志等。这类映射在建立后长期存在，且要求CPU和设备看到的视图始终一致（即不存在cache不一致问题）。Linux提供dma_alloc_coherent()和dma_free_coherent()来申请和释放一致性内存。这些函数保证返回的虚拟地址和总线地址是cache一致的（通常通过禁用cache或使用硬件协同机制实现）。

3.2 流式DMA映射

流式映射用于一次性的数据传输，例如网络包或磁盘读写。它针对每个传输动态建立映射，传输完成后立即解除。Linux提供dma_map_single()、dma_unmap_single()以及用于scatter-gather的dma_map_sg()/dma_unmap_sg()。在使用流式映射时，驱动需要根据数据传输方向（to device / from device）调用相应的cache一致性维护函数（如dma_sync_single_for_cpu/device），以确保CPU和设备对数据的修改能正确同步。

4. 关键数据结构和操作

每个struct device都关联了一个struct dma_map_ops，它包含一系列函数指针，实现了特定平台或总线的DMA映射操作（如x86、ARM、PCIe等）。内核通过get_dma_ops()获取该指针，然后调用对应的实现。这种设计使得DMA API可以无缝支持不同硬件架构。

5. DMA掩码与寻址能力

并非所有设备都能访问全部物理内存。例如，一个32位设备只能访问4GB以下的物理地址。驱动必须通过dma_set_mask_and_coherent()告诉内核设备的寻址能力。如果设备无法直接访问分配的缓冲区，内核会启用SWIOTLB（软件IO TLB）作为反弹缓冲区：在低端内存预留一块区域，将数据从原始缓冲区拷贝到该区域，再将区域内的物理地址交给设备。这虽然降低了性能，但保证了兼容性。

6. 高级主题：IOMMU与SMMU

现代系统中，IOMMU（I/O Memory Management Unit）或SMMU（System MMU）可以为设备提供地址重映射服务，使得设备看到的是虚拟化的总线地址，从而可以实现设备直通、虚拟机透传等高级功能。Linux内核通过DMA映射API透明地支持IOMMU：当IOMMU启用时，dma_map_single()可能会在IOMMU中创建映射，返回给设备的其实是经过IOMMU转换后的地址。这一切对驱动是透明的，驱动只需调用标准API即可。

7. 总结

Linux DMA映射机制是设备驱动的基石，它巧妙地隔离了硬件差异，为驱动开发者提供了简洁而强大的API。理解DMA映射需要掌握硬件原理（物理地址、cache一致性）、内核内存管理以及IOMMU的概念。通过本文的梳理，希望读者能对DMA映射有清晰的认识，并在实际驱动开发中正确使用相关API。无论是嵌入式开发还是服务器编程，Linux内核的DMA机制都扮演着至关重要的角色，它也是内存管理子系统中不可或缺的一环。

（完）