解析Linux DMA mapping机制
说明：
Kernel版本：4.14
ARM64处理器，Contex-A53，双核
使用工具：Source Insight 3.5， Visio
1. 概述
DMA（Direct Memory Access）：直接存储器访问；
先看问题的引入：
Non-DMA：CPU直接与设备进行数据交互，CPU的负载会随着数据的读写而增加；
DMA：CPU不参与数据的直接传输，DMA Controller负责Device与Memory之间的数据搬运，并以中断信号的形式通知CPU；
可以看出，使用DMA的最大优点是可以提高CPU的使用率；
2. address mapping
DMA涉及三种地址空间：
CPU虚拟地址：CPU使用的地址空间；
CPU物理地址：CPU使用的虚拟地址通过MMU转换成物理地址；
总线地址：设备使用的地址空间；
CPU与Device看待地址的空间不一样，看几个示例：
A：Host bridge负责将Bus address映射到CPU的物理地址空间，可以通过
ioremap来使用，比如PCI/PCIe；B：设备使用的总线地址，可以通过IOMMU访问到CPU的物理地址空间，由IOMMU来负责映射；
C：设备使用的总线地址与CPU的物理地址相同，不需要使用IOMMU进行地址转换；
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2.1 cache coherence
DMA的操作，通常与cache相关，先了解一下cache coherence：
cache coherence设备：设备之间的读写不需要关心cache的一致性问题，硬件将确保数据一致，比如连接在ARM CCI端口上的设备就是cache coherence设备；
non-coherence设备：需要额外的软件操作（flush/invalidate）等操作来确保数据一致；
3. DMA mappings
Linux内核中提供了两种dma mapping的接口：Consistent mapping和Stream mapping。
3.1 Consistent DMA mappings
consistent mapping：对应于cache-coherence设备，硬件确保device和CPU都能并行访问数据，并能看到彼此的更新，而不需要软件的flush操作；
通常在驱动init时进行map操作，而在deinit时进行unmap操作；
通常在使用consistent dma mapping时，首先需要通过dma_alloc_coherent接口来分配一段区域：
dma_alloc_coherent用于分配coherent内存，并返回对应的虚拟地址；进行内存分配时，存在三种方式：1）优先从设备专用的dma池开始分配；2）无专用dma池，如果是dma-direct访问，通过dma_direct_alloc分配，而底层是依赖于CMA来分配；3）使用IOMMU的设备，则通过iommu的操作函数集来分配；
3.1 device reserved
通常，可以为设备指定专用的dma coherent的区域，有以下的方式：
通过在设备树中添加对应的属性值，驱动中可以调用
of_reserved_mem_device_init最终完成dma区域的注册；直接通过接口
dma_decleare_coherent_memory调用来进行注册；
3.2 dma pool
驱动中经常面临buffer的管理，可以使用dma pool机制来处理，大概的原理如下：
dma-pool以页为单位来进行管理分配，可以通过添加多个dma池来使用；
dma-pool子系统的细节描述，需要另起一篇文章了；
3.2 Streaming DMA mappings
streaming mapping：对应于non-coherence设备；
通常在单次DMA传输时进行map，在传输完成后进行unmap（除非调用了
dma_sync_XXX()函数）；non-coherence设备，由于buffer不与其他数据共享cache line，通常会work better；
先看一下数据一致性问题：
dma to device时，需要将cache中的数据flush到memory中；
dma from device时，需要先将cache中的数据invalidate掉，避免CPU读取的是原来的数据；
dma_map_single函数如下：
map操作时存在两种方式，直接映射或使用iommu来完成映射；
dma_unmap_single是逆操作：
从上述函数中可以看到，最终都会调用到arch相关的cache操作，这个与体系结构是强相关的，以arm64为例：
最终的代码将调用到汇编中，操作也较简单，不再赘述了；
原文作者：LoyenWang
