驱动移植过程中DMA内存相关接口替换

Posted 2020-10-06

1. 相关概念介绍及移植简介 
1.1 物理地址与总线地址 
        1）物理地址是与CPU相关的。在CPU的地址信号线上产生的就是物理地址，在程序指令中的的虚拟地址经过段映射和页面映射后，就生成了物理地址，这个物理地址被放到CPU的地址线上。 
        2）总线地址，顾名思义，是与总线相关的，外设使用的就是总线地址。 
        在x86平台下，外设的I/O地址是独立的，即有专门的指令访问外设I/O，I/O地址就是所谓的“总线地址”。而“物理地址”就是RAM地址。 
        在ARM平台下，I/O和RAM统一编址，即“总线地址”就是“物理地址”。 
        Linux系统无论是在内核还是用户空间，都是直接使用“虚拟地址”访问内存或I/O空间，因此要访问外设I/O，必须将I/O地址转换成“虚拟地址”才能够进行访问。 
        MMU启动前程序中的地址为“物理地址”，和硬件手册中规定的地址一致。MMU启动后程序中的地址为“虚拟地址”，“虚拟地址”和“物理地址”之间的关系参照MMU地址映射表。 
1.2 移植介绍 
        在移植Linux驱动的过程中，会遇到很多非POSIX接口，这些接口是跟Linux系统相关的，而在SylixOS中并未提供兼容接口，因此在替换过程中，需要结合SylixOS本身提供的一些机制实现一套兼容接口，在替换过程中为了保持与linux接口的兼容性，将不改变函数的原型，而只是将内部实现替换成SylixOS接口实现。 
        本篇将介绍在移植Linux驱动过程中有关DMA内存操作的相关接口的替换方案，注意，本文档提供的替换方案仅适用于“物理地址”和“总线地址”相同的硬件平台。 
2. DMA内存相关接口介绍及替换 
        在移植过程中主要遇到的和DMA内存相关操作的接口如表 2-1所示。 
        表 2-1 Linux DMA内存相关操作接口

系统接口	接口功能
dma_alloc_coherent	分配一片DMA一致性的内存区域
dma_free_coherent	释放一片DMA一致性内存
dma_pool_create	创建一片DMA内存池
dma_pool_alloc	从DMA内存池中分配一块DMA内存
dma_pool_free	释放DMA内存到DMA内存池中
dma_pool_destroy	销毁DMA内存池

2.1 一致性内存相关接口介绍及替换 
2.1.1 分配一致性内存 
        1）Linux接口介绍 
        Linux内核提供相应接口用于分配一个DMA一致性的内存区域。

void *dma_alloc_coherent(struct device  *dev, 
                          size_t         size, 
                          dma_addr_t    *handle, 
                          gfp_t          gfp)

        函数dma_alloc_coherent原型分析： 
        此函数成功时返回分配的缓冲区地址，失败时返回NULL； 
        参数dev为设备结构，SylixOS没有提供该结构，因此在实际替换中，对该参数进行了修改； 
        参数size为分配的DMA内存大小； 
        参数handle为分配的DMA内存的地址； 
        参数gfp为分配内存标志。 
        2）SylixOS接口替换 
        在SylixOS内核中提供分配DMA内存的接口，且DMA内存是一致性内存，因此为保持兼容，dma_alloc_coherent接口在SylixOS中的实现如程序清单 2-1所示。 
                                            程序清单 2-1 dma_alloc_coherent接口实现

void *dma_alloc_coherent(void *dev, size_t size, dma_addr_t *handle, gfp_t gfp)
{
    *handle = (dma_addr_t )API_VmmDmaAllocAlign(size, size);
    if(0 == *handle) {
        *handle = ~0;
        return NULL;
    }
    return (void *)(*handle);
}

        主要调用了API_VmmDmaAllocAlign分配DMA物理内存并将DMA地址返回。与Linux中的不同点在于该替换接口返回的是DMA内存地址，而Linux返回的是handle所对应的虚拟地址，提供给用户使用。 
2.1.2 释放一致性内存 
        1）Linux接口介绍 
        Linux内核提供相应接口用于释放DMA一致性的内存区域。

void dma_free_coherent(struct device    *dev, 
                        size_t           size, 
                        void            *cpu_addr, 
                        dma_addr_t       handle)

        函数dma_free_coherent原型分析： 
        参数dev为设备结构，SylixOS没有提供该结构，因此在实际替换中，对该参数进行了修改； 
        参数size为分配的DMA内存大小； 
        参数cpu_addr为待释放的缓冲区地址； 
        参数handle为DMA地址的值。 
        2）SylixOS接口替换 
        在SylixOS中提供释放DMA内存的接口，因此为了兼容，释放DMA内存实现如程序清单 2-2所示。 
                                            程序清单 2-2 dma_free_coherent接口实现

void dma_free_coherent(void *dev, size_t size, void *cpu_addr, dma_addr_t handle)
{
    API_VmmDmaFree ((void *)handle);
}

        由于在SylixOS中DMA内存的物理地址和虚拟地址是一一对应的，因此cpu_addr和handle在数值上是相同的。 
2.2 DMA内存池相关接口介绍及替换 
2.2.1 创建DMA内存池 
        1）Linux接口介绍 
        Linux内核提供相应接口用于创建DMA内存池。

struct dma_pool *dma_pool_create(const char     *name, 
                                  struct device *dev,
                                  size_t         size, 
                                  size_t         align, 
                                  size_t         boundary)

        函数dma_pool_create原型分析： 
        此函数成功时返回DMA池的结构指针，由于SylixOS没有提供该结构，因此在替换过程中接口返回值做了修改。失败时返回NULL； 
        参数name为DMA池的名字； 
        参数dev为设备结构，SylixOS没有提供该结构，因此在实际替换中，对该参数进行了修改； 
        参数size为从该DMA池中分配的缓冲区的大小； 
        参数align为从该池分配时所遵循的对齐原则； 
        参数boundary表示从该DMA池返回的内存不能越过2的boundary次方的边界。 
        2）SylixOS接口替换 
        SylixOS提供定长内存管理机制，因此创建DMA内存池接口实现如程序清单 2-3所示。 
                                            程序清单 2-3 dma_pool_create接口实现

void *dma_pool_create(LW_OBJECT_HANDLE  *ulId, void *dev,
                 size_t size, size_t align, size_t boundary)
{
    PVOID pucDMAPool = NULL;
    pucDMAPool = API_VmmDmaAllocAlign(size, align);
    if (pucDMAPool == NULL) {
        return NULL;
    }    
    *ulId = Lw_Partition_Create("my_partition",
                                 pucDMAPool,
                                 size *2,
                                 4096/64,
                                 LW_OPTION_OBJECT_GLOBAL,
                                 LW_NULL);
    return pucDMAPool;
}

        主要实现过程是通过调用API_VmmDmaAllocAlign分配一片DMA内存，调用Lw_Partition_Create对该DMA内存进行管理。此接口成功返回DMA内存池的地址，失败返回NULL。 
2.2.2 从DMA内存池获取内存块 
        1）Linux接口介绍 
        Linux内核提供相应接口用于从DMA内存池中获取内存块。

void *dma_pool_alloc(struct dma_pool    *pool, 
                      gfp_t                  mem_flags,
                      dma_addr_t        *handle)

        函数dma_pool_alloc原型分析： 
        此函数成功时返回从DMA池中获取的内存块的地址，失败时返回NULL； 
        参数pool为创建DMA池时返回的结构体指针，由于SylixOS没有提供该结构，因此在替换过程中接口返回值做了修改； 
        参数mem_flags为分配内存标志； 
        参数handle为获取的内存块的DMA地址。 
        2）SylixOS接口替换 
        SylixOS提供从创建的定长内存中获取内存块，因此从DMA内存池中获取内存块的实现如程序清单 2-4所示。 
                                            程序清单 2-4 dma_pool_alloc接口实现

void *dma_pool_alloc(LW_OBJECT_HANDLE  ulId, gfp_t mem_flags,
             dma_addr_t *handle)
{
    void *alloc;
    alloc = Lw_Partition_Allocate(ulId);

    /*
     * 由于内存是直接从dma内存中分配，因此，物理地址和虚拟地址一样，
     * 不需要调用API_VmmVirtualToPhysical((addr_t)alloc, handle);进行转换。
     */
    *handle = (dma_addr_t)alloc;

    return alloc;
}

        主要调用定长内存分配接口从定长内存中获取内存块，其中ulId是创建内存池成功时产生的句柄，通过该句柄可以从指定的内存池中获取内存块。 
2.2.3 释放内存块到内存池中 
        1）Linux接口介绍 
        Linux内核提供相应接口用于释放内存块到DMA内存池中。

void dma_pool_free(struct dma_pool *pool, 
                    void           *vaddr, 
                    dma_addr_t      dma)

        函数dma_pool_free原型分析： 
        参数pool为创建DMA池时返回的结构体指针，由于SylixOS没有提供该结构，因此在替换过程中接口返回值做了修改； 
        参数vaddr为从DMA池中获取的内存块的地址； 
        参数dma为DMA池中获取的内存块的地址对应的DMA地址。 
        2）SylixOS接口替换 
        通过调用定长内存释放函数可实现将分配的内存返还到定长内存中，具体实现如程序清单 2-5所示。 
                                            程序清单 2-5 dma_pool_free接口实现

void dma_pool_free(LW_OBJECT_HANDLE  ulId, void *vaddr, dma_addr_t dma)
{
    Lw_Partition_Free(ulId, vaddr);
}

2.2.4 销毁DMA内存池 
        1）Linux接口介绍 
        Linux内核提供相应接口用于销毁DMA内存池。

void dma_pool_destroy(struct dma_pool *pool)

        函数dma_pool_free原型分析： 
        参数pool为创建DMA池时返回的结构体指针，由于SylixOS没有提供该结构，因此在替换过程中接口返回值做了修改； 
        2）SylixOS接口替换 
        通过调用删除定长内存函数即可销毁DMA内存池，具体实现如程序清单 2-6所示。 
                                            程序清单 2-6 dma_pool_destroy接口实现

void dma_pool_destroy(LW_OBJECT_HANDLE   *pulId)
{
    Lw_Partition_Delete (pulId);
}

3. 总结 
        在移植过程中，经常会遇到平台相关的接口，虽然SylixOS没有直接提供相应的接口进行替换，但是如果理解该接口的实现目的，那么就可以通过SylixOS本身的机制实现相同的功能。当然需要对SylixOS本身提供的机制与方法有所了解，才能够轻松地进行接口替换。

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