FreeBSD 系统结构手册
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# 10.6 总线内存映射

很多情况下设备驱动程序和设备之间的数据交换是通过内存 进行的。有两种可能的变体：

(a) 内存位于设备卡上

(b) 内存为计算机的主内存

情况(a)中，驱动程序可能需要在卡上的内存与主存之间来回 拷贝数据。为了将卡上的内存映射到内核的虚地址空间，卡上内存的 物理地址和长度必须被定义为`SYS_RES_MEMORY`资源。 然后资源就可以被分配并激活，它的虚地址通过使用 `rman_get_virtual()`获取。较老的驱动程序 将函数`pmap_mapdev()`用于此目的，现在 不应当再直接使用此函数。它已成为资源激活的一个内部步骤。

大多数ISA卡的内存配置为物理地位于640KB-1MB范围之间的 某个位置。某些ISA卡需要更大的内存范围，位于16M以下的某个 位置（由于ISA总线上24位地址限制）。这种情况下，如果机器有 比设备内存的起始地址更多的内存（换句话说，它们重叠），则 必须在被设备使用的内存起始地址处配置一个内存空洞。许多 BIOS允许在起始于14MB或15MB处配置1M的内存空洞。如果BIOS 正确地报告内存空洞，FreeBSD就能够正确处理它们（此特性 在老BIOS上可能会出问题）。

情况(b)中，只是数据的地址被发送到设备，设备使用DMA实际 访问主存中的数据。存在两个限制：首先，ISA卡只能访问16MB以下 的内存。其次，虚地址空间中连续的页面在物理地址空间中可能不 连续，设备可能不得不进行分散/收集操作。总线子系统为这些问题 提供现成现成的解决办法，剩下的必须由驱动程序自己完成。

DMA内存分配使用了两个结构， `bus_dma_tag_t` 和 `bus_dmamap_t`。 标签（tag）描述了DMA内存要求的特性。映射（map）表示按照这些 特性分配的内存块。多个映射可以与同一标签关联。

标签按照对特性的继承而被组织成树型层次结构。子标签继承父 标签的所有要求，可以令其更严格，但不允许放宽要求。

一般地，每个设备单元创建一个顶层标签（没有父标签）。如果 每个设备需要不同要求的内存区，则为每个内存区都会创建一个标签，这些 标签作为父标签的孩子。

使用标签创建映射的方法有两种。

其一，分配一大块符合标签要求的连续内存（以后可以被释放）。 这一般用于分配为了与设备通信而存在相对较长时间的那些内存区。 将这样的内存加载到映射中非常容易：它总是被看作位于适当物理 内存范围的一整块。

其二，将虚拟内存中的任意区域加载到映射中。这片内存的 每一页都被检查，看是否符合映射的要求。如何符合则留在原始位置。 如果不符合则分配一个新的符合要求的 “反弹页面(bounce page)”，用作中间存储。 当从不符合的原始页面写入数据时，数据首先被拷贝到反弹页面， 然后从反弹页面传递到设备。当读取时，数据将会从设备到反弹页面， 然后被拷贝到它们不符合的原始页面。原始和反弹页面之间的拷贝 处理被称作同步。这一般用于单次传输的基础之上：每次传输时 加载缓冲区，完成传输，卸载缓冲区。

工作在DMA内存上的函数有：

- `int bus_dma_tag_create(bus_dma_tag_t parent, bus_size_t alignment, bus_size_t boundary, bus_addr_t lowaddr, bus_addr_t highaddr, bus_dma_filter_t *filter, void *filterarg, bus_size_t maxsize, int nsegments, bus_size_t maxsegsz, int flags, bus_dma_tag_t *dmat)`

  创建新标签。成功则返回0，否则返回错误码。

  - parent - 父标签或者NULL， NULL用于创建顶层标签。

  - alignment - 对将要分配给标签的内存区的对齐要求。“no specific alignment”时值为1。仅应用于以后的 `bus_dmamem_alloc()`而不是 `bus_dmamap_create()`调用。

  - boundary - 物理地址边界， 分配内存时不能穿过。对于“no boundary” 使用0。仅应用于以后的 `bus_dmamem_alloc()`而不是 `bus_dmamap_create()`调用。 必须为2的乘方。如果计划以非层叠DMA方式使用内存（也就是说， DMA地址由ISA DMA控制器提供而不是设备自身），则由于DMA硬件 限制，边界必须不能大于64KB (64*1024)。

  - lowaddr, highaddr - 名字稍微 有些误导。这些值用于限制可用于内存分配的物理地址的允许 范围。其确切含义根据以后不同的使用而有所不同。

    - 对于`bus_dmamem_alloc()`， 从0到lowaddr-1的所有地址被视为允许，更高的地址不允许 使用。

    - 对于`bus_dmamap_create()`， 闭区间[lowaddr; highaddr]之外的所有地址被视为可访问。 范围之内的地址页面被传递给过滤函数，由它决定是否可访问。 如果没有提供过滤函数，则整个区间被视为不可访问。

    - 对于ISA设备，正常值（没有过滤函数）为：

      lowaddr = BUS_SPACE_MAXADDR_24BIT

      highaddr = BUS_SPACE_MAXADDR

  - filter, filterarg - 过滤函数及其 参数。如果filter为NULL，则当调用 `bus_dmamap_create()`时，整个区间 [lowaddr, highaddr]被视为不可访问。 否则，区间[lowaddr; highaddr]内的每个被试图访问的页面的 物理地址被传递给过滤函数，由它决定是否可访问。过滤函数的 原型为：`int filterfunc(void *arg, bus_addr_t paddr)`。当页面可以被访问时它必须 返回0，否则返回非零值。

  - maxsize - 通过此标签可以分配的 最大内存值（以字节计）。有时这个值很难估算，或者可以任意大， 这种情况下，对于ISA设备这个值可以设为 `BUS_SPACE_MAXSIZE_24BIT`。

  - nsegments - 设备支持的分散/收集段 的最大数目。如果不加限制，则使用应当使用值 `BUS_SPACE_UNRESTRICTED`。 建议对父标签使用这个值，而为子孙标签指定实际限制。 nsegments值等于 `BUS_SPACE_UNRESTRICTED` 的标签不能用于实际加载映射，仅可以将它们作为父标签。 nsetments 的实际限制大约为250-300，再高的值将导致内核堆栈溢出（硬件 无法正常支持那么多的分散/收集缓冲区）。

  - maxsegsz - 设备支持的分散/收集段 的最大尺寸。对于ISA设备的最大值为 `BUS_SPACE_MAXSIZE_24BIT`。

  - flags - 旗标的位图。感兴趣的旗标 只有：

    - BUS_DMA_ALLOCNOW - 创建标签时 请求分配所有可能用到的反射页面。

    - BUS_DMA_ISA - 比较神秘的一个标志， 仅用于Alpha机器。i386机器没有定义它。Alpha机器的所有ISA设备 都应当使用这个标志，但似乎还没有这样的驱动程序。

  - dmat - 指向返回的新标签的存储的 指针。

- `int bus_dma_tag_destroy(bus_dma_tag_t dmat)`

  销毁标签。成功则返回0，否则返回错误码。

  dmat - 被销毁的标签。

- `int bus_dmamem_alloc(bus_dma_tag_t dmat, void** vaddr, int flags, bus_dmamap_t *mapp)`

  分配标签所描述的一块连续内存区。被分配的内存的大小为标签的 maxsize。成功则返回0，否则返回错误码。调用结果被用于获取内存的 物理地址，但在此之前必须用`bus_dmamap_load()` 将其加载。

  - dmat - 标签

  - vaddr - 指向存储的指针，该存储空间 用于返回的分配区域的内核虚地址。

  - flags - 旗标的位图。唯一感兴趣的旗标为：

    - BUS_DMA_NOWAIT - 如果内存不能 立即可用则返回错误。如果此标志没有设置，则允许例程 睡眠，直到内存可用为止。

  - mapp - 指向返回的新映射的存储的指针。

- `void bus_dmamem_free(bus_dma_tag_t dmat, void *vaddr, bus_dmamap_t map)`

  释放由`bus_dmamem_alloc()`分配的内存。 目前，对分配的带有ISA限制的内存的释放没有实现。因此，建议的 使用模型为尽可能长时间地保持和重用分配的区域。不要轻易地 释放某些区域，然后再短时间地分配它。这并不意味着不应当使用 `bus_dmamem_free()`：希望很快它就会被 完整地实现。

  - dmat - 标签

  - vaddr - 内存的内核虚地址

  - map - 内存的映射（跟 `bus_dmamem_alloc()`返回的一样）

- `int bus_dmamap_create(bus_dma_tag_t dmat, int flags, bus_dmamap_t *mapp)`

  为标签创建映射，以后用于 `bus_dmamap_load()`。成功则返回0，否则 返回错误码。

  - dmat - 标签

  - flags - 理论上是旗标的位图。但还 从未定义过任何旗标，因此目前总是0。

  - mapp - 指向返回的新映射的存储的指针。

- `int bus_dmamap_destroy(bus_dma_tag_t dmat, bus_dmamap_t map)`

  销毁映射。成功则返回0，否则返回错误码。

  - dmat - 与映射关联的标签

  - map - 将要被销毁的映射

- `int bus_dmamap_load(bus_dma_tag_t dmat, bus_dmamap_t map, void *buf, bus_size_t buflen, bus_dmamap_callback_t *callback, void *callback_arg, int flags)`

  加载缓冲区到映射中(映射必须事先由 `bus_dmamap_create()`或者 `bus_dmamem_alloc()`)创建。缓冲区的所有 页面都会被检查，看是否符合标签的要求，并为那些不符合的分配 反弹页面。会创建物理段描述符的数组，并将其传递给回调函数。 回调函数以某种方式处理这个数组。系统中的反弹缓冲区是受限的， 因此如果需要的反弹缓冲区不能立即获得，则将请求入队，当反弹 缓冲区可用时再调用回调函数。如果回调函数立即执行则返回0， 如果请求被排队，等待将来执行，则返回 “`EINPROGRESS`”。后一种情况下， 与排队的回调函数之间的同步由驱动程序负责。

  - dmat - 标签

  - map - 映射

  - buf - 缓冲区的内核虚地址

  - buflen - 缓冲区的长度

  - callback, `callback_arg` - 回调函数及其参数

  回调函数的原型为：

  `void callback(void *arg, bus_dma_segment_t *seg, int nseg, int error)`

  - arg - 与传递给 `bus_dmamap_load()`的callback_arg 相同。

  - seg - 段描述符的数组

  - nseg - 数组中的描述符个数

  - error - 表示段数目溢出：如被设为 “`EFBIG`”， 则标签允许的最大数目的段无法容纳缓冲区。 这种情况下数组中的描述符的数目只有标签许可的那么多。 对这种情况的处理由驱动程序决定：根据希望的语义，驱动 程序可以视其为错误，或将缓冲区分为两个并单独处理第二个。

  段数组中的每一项包含如下字段：

  - ds_addr - 段物理地址

  - ds_len - 段长度

- `void bus_dmamap_unload(bus_dma_tag_t dmat, bus_dmamap_t map)`

  unload the map.

  - dmat - 标签

  - map - 已加载的映射

- `void bus_dmamap_sync (bus_dma_tag_t dmat, bus_dmamap_t map, bus_dmasync_op_t op)`

  与设备进行物理传输前后，将加载的缓冲区与其反弹页面进行同步。 此函数完成原始缓冲区与其映射版本之间所有必需的数据拷贝工作。 进行传输之前和之后必须对缓冲区进行同步。

  - dmat - 标签

  - map - 已加载的映射

  - op - 要执行的同步操作的类型：

  - `BUS_DMASYNC_PREREAD` - 从设备到 缓冲区的读操作之前

  - `BUS_DMASYNC_POSTREAD` - 从设备到 缓冲区的读操作之后

  - `BUS_DMASYNC_PREWRITE` - 从缓冲区到 设备的写操作之前

  - `BUS_DMASYNC_POSTWRITE` - 从缓冲区到 设备的写操作之后

当前PREREAD和POSTWRITE为空操作，但将来可能会改变，因此驱动程序 中不能忽略它们。由`bus_dmamem_alloc()` 获得的内存不需要同步。

从`bus_dmamap_load()`中调用回调函数之前， 段数组是存储在栈中的。并且是按标签允许的最大数目的段预先分配 好的。这样由于i386体系结构上对段数目的实际限制约为250-300 （内核栈为4KB减去用户结构的大小，段数组条目的大小为8字节，和 其它必须留出来的空间）。由于数组基于最大数目而分配，因此这个值 必须不能设置成超出实际需要。幸运的是，对于大多数硬件而言， 所支持的段的最大数目低很多。但如果驱动程序想处理具有非常多 分散/收集段的缓冲区，则应当一部分一部分地处理：加载缓冲区的 一部分，传输到设备，然后加载缓冲区的下一部分，如此反复。

另一个实践结论是段数目可能限制缓冲区的大小。如果缓冲区中的 所有页面碰巧物理上不连续，则分片情况下支持的最大缓冲区尺寸 为(nsegments * page_size)。例如，如果支持的段的最大数目为10， 则在i386上可以确保支持的最大缓冲区大小为40K。如果希望更大的 则需要在驱动程序中使用一些特殊技巧。

如果硬件根本不支持分散/收集，或者驱动程序希望即使在严重分片的 情况下仍然支持某种缓冲区大小，则解决办法是：如果无法容纳下原始 缓冲区，就在驱动程序中分配一个连续的缓冲区作为中间存储。

下面是当使用映射时的典型调用顺序，根据对映射的具体使用而不同。 字符->用于显示时间流。

对于从连接到分离设备，这期间位置一直不变的缓冲区：

bus_dmamem_alloc -> bus_dmamap_load -> ...use buffer... -> -> bus_dmamap_unload -> bus_dmamem_free

对于从驱动程序外部传递进去，并且经常变化的缓冲区：

              bus_dmamap_create ->
              -> bus_dmamap_load -> bus_dmamap_sync(PRE...) -> do transfer ->
              -> bus_dmamap_sync(POST...) -> bus_dmamap_unload ->
              ...
              -> bus_dmamap_load -> bus_dmamap_sync(PRE...) -> do transfer ->
              -> bus_dmamap_sync(POST...) -> bus_dmamap_unload ->
              -> bus_dmamap_destroy

当加载由`bus_dmamem_alloc()`创建的映射时，传递 进去的缓冲区的地址和大小必须和 `bus_dmamem_alloc()`中使用的一样。这种情况下就 可以保证整个缓冲区被作为一个段而映射（因而回调可以基于此假设）， 并且请求被立即执行（永远不会返回EINPROGRESS）。这种情况下回调函数 需要作的只是保存物理地址。

典型示例如下：

              static void
            alloc_callback(void *arg, bus_dma_segment_t *seg, int nseg, int error)
            {
              *(bus_addr_t *)arg = seg[0].ds_addr;
            }

              ...
              int error;
              struct somedata {
                ....
              };
              struct somedata *vsomedata; /* 虚地址 */
              bus_addr_t psomedata; /* 物理总线相关的地址 */
              bus_dma_tag_t tag_somedata;
              bus_dmamap_t map_somedata;
              ...

              error=bus_dma_tag_create(parent_tag, alignment,
               boundary, lowaddr, highaddr, /*filter*/ NULL, /*filterarg*/ NULL,
               /*maxsize*/ sizeof(struct somedata), /*nsegments*/ 1,
               /*maxsegsz*/ sizeof(struct somedata), /*flags*/ 0,
               &tag_somedata);
              if(error)
              return error;

              error = bus_dmamem_alloc(tag_somedata, &vsomedata, /* flags*/ 0,
                 &map_somedata);
              if(error)
                 return error;

              bus_dmamap_load(tag_somedata, map_somedata, (void *)vsomedata,
                 sizeof (struct somedata), alloc_callback,
                 (void *) &psomedata, /*flags*/0);

代码看起来有点长，也比较复杂，但那是正确的使用方法。实际结果是： 如果分配多个内存区域，则总将它们组合成一个结构并作为整体分配 （如果对齐和边界限制允许的话）是一个很好的主意。

当加载任意缓冲区到由`bus_dmamap_create()` 创建的映射时，由于回调可能被延迟，因此必须采取特殊措施与回调 函数进行同步。代码看起来像下面的样子：

              {
               int s;
               int error;

               s = splsoftvm();
               error = bus_dmamap_load(
                   dmat,
                   dmamap,
                   buffer_ptr,
                   buffer_len,
                   callback,
                   /*callback_arg*/ buffer_descriptor,
                   /*flags*/0);
               if (error == EINPROGRESS) {
                   /*
                    * 执行必要的操作以确保与回调的同步。
                    * 回调被确保直到我们执行了splx()或tsleep()才会被调用。
                    */
                  }
               splx(s);
              }

处理请求的两种方法分别是：

1. 如果通过显式地标记请求已经结束来完成请求（例如CAM请求），则 将所有进一步的处理放入回调驱动程序中会比较简单，回调结束后会 标记请求。之后不需要太多额外的同步。由于流控制的原因，冻结请求 队列直到请求完成才释放可能是个好主意。

2. 如果请求是在函数返回时完成（例如字符设备上传统的读写请求）， 则需要在缓冲区描述符上设置同步标志，并调用 `tsleep()`。后面当回调函数被调用时，它将 执行处理并检查同步标志。如果设置了同步标志，它应该发出一个 唤醒操作。在这种方法中，回调函数或者进行所由必需的处理（就像 前面的情况），或者简单在缓冲区描述符中存储段数组。回调完成 后，回调函数就能使用这个存储的段数组并进行所有的处理。

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