LDD3-内存映射与DMA
地址类型
用户虚拟地址：
这时在用户空间程序能看到的常规地址，32或64位，每个进程都有自己的虚拟地址空间。
物理地址“
该地址在处理器和系统内存之间使用，物理地址是32位或64位。
总线地址：
该地址在外围总线和内存之间使用，通常和处理器使用的物理地址相同。
内核逻辑地址：
内核逻辑地址组成了内核的常规地址空间。该地址映射了部分或全部内存，并经常被视为物理地址。
在大多数体系结构中，逻辑地址和与其相关联的物理地址的不同，仅仅在于它们之间存在一个固定偏移。kmalloc返回的就是内核逻辑地址。
内核虚拟地址：
和内核逻辑地址的相同之处是，它们都将内核空间的地址映射到物理地址。但内核虚拟地址与物理地址的映射不必是线性的和一对一的。比如vmalloc分配的内存具有一个虚拟地址（但并不存在直接的物理映射）。kmap函数也返回一个虚拟地址，虚拟地址通常保存在指针变量中。需要强调的是，内核逻辑地址页是内核虚拟地址，但反之不然。
如果有一个逻辑地址，__pa()返回其对应的物理地址，__va()也能将物理地址逆向映射到逻辑地址。
物理地址和页
物理地址被分成离散的单元，页，大多数系统都使用4096字节一页。实际上，无论虚拟还是物理地址，它们都被分为页号和一个页内偏移量。如果页大小是4096字节，那么最后12位是偏移量，而剩余的高位则指定了页号，如果将这些高位右移偏移量的位数，那么结果称为页帧数。宏PAGE_SHIFT将告诉程序员，必须移动多少位才能完成这个转换。
高端和低端内存
内核将4GB的虚拟地址空间分割为用户空间和内核空间，典型的是3GB分配给用户空间，1GB分配给内核空间。内核代码和数据结构必须与这样的空间匹配，内核无法直接操作没有映射到内核地址空间的内存。换句话说，内核对任何内存的访问都需使用自己的虚拟地址空间。
只有内存的低端部分拥有逻辑地址，在访问特定的高端内存前，必须建立明确的虚拟映射。
内存映射和页结构
page结构
执行直接I/O访问
字符设备中执行直接I/O是不可行的。
直接内存访问
DMA需要设备驱动程序分配一个或多个适合执行DMA的特殊缓冲区。许多驱动程序在初始化阶段分配了它们的缓冲区，并且一直使用它们直到关闭。
缓冲区的主要问题是：当大于一页时，它们必须占据连续的物理页，这是因为设备使用ISA或PCI系统总线传输数据，而这两种使用的都是物理地址。
受到设备的地址总线限制，应使用GFP_DMA标志调用kmalloc或则get_free_pages从DMA区间分配内存。
使用DMA的设备驱动程序将与连接到总线接口上的硬件通信，但基于DMA的硬件使用总线地址，而非物理地址。
DMA操作最终会分配缓冲区，并将总线地址传递给设备。
处理复杂的硬件
执行DMA之前，要确定：是否给定的设备在当前主机上具备执行这些操作的能力，默认情况下，内核假设这些设备都能在32位的地址上执行DMA，如果不是，应该调用下面函数通知内核：
int dma_set_mask(struct device *dev, u64 mask)
再次强调，如果设备支持常见的32位DMA操作，则没有必要调用dma_set_mask.
DMA映射
一个dma映射是要分配的DMA缓冲区与为改缓冲区生成的，设备可访问地址的组合。我们可以通过对virt_to_bus函数的调用获得该地址，但是不建议。
IOMMU在设备可访问的地址范围规划了物理内存。
DMA映射建立一个新的结构类型--dma_addr_t来表示总线地址。dma_addr_t类型的变量对驱动程序是不透明的，如果CPU直接使用了dma_addr_t，将会发生不可预期的问题。
两种类型的DMA映射：
一致性DMA映射
这种类型的映射存在于驱动程序生命周期，一致性映射的缓冲区必须可同时被CPU和外围设备访问。因此一致性映射必须保存在一致性缓冲中，建立和使用它的开销是很大的。
流式DMA映射
通常为单独的操作建立流式映射。当使用流式映射时，一些体系架构可以优化性能。
建立一致性DMA映射
void *dma_alloc_coherent(struct device *dev, size_t size, dma_addr_t *dma_handle, int flag)
函数的返回值是缓冲区的内核虚拟地址，可以被CPU访问。而与其相关的总线地址，返回时保存在dma_handle中。flag通常是GFP_KERNEL或GFP_ATOMIC
不需要时：dma_free_coherent(struct device *dev, size_t size, void *vaddr, dma_addr_t dma_handle)
dma_alloc_coherent函数获得的映射，可能最小大小为单个页。
一致性DMA映射是一段关闭cache memory，所以不存在cache问题，比如DMA 描述符，DMA和CPU都需要频繁操作一块内存区域的时候，一致性DMA映射就比较合适。所以DMA描述符特别适用于一致性DMA。当然，你也可以对DMA描述符用流式操作，但那样开销就比较大了。
流式DMA没有关闭cache，使用时候需要注意。CPU写数据，需要去clean cache，将数据从cache写到DRAM。CPU读数据时，
需要将cache中数据无效，让CPU去memory中读数据，填充到cache。
Flush cache：先clean再invalid
DMA池
。。。
建立流式DMA映射
建立流式映射时，必须告诉内核数据流动的方向，dma_dat_direction枚举类型：
DMA_TO_DEVICE----如果数据被发送到设备
DMA_FROM_DEVICE-----如果数据被发送到CPU
DMA_BIDIRECTIONAL----如果数据可双向移动
DMA_NOEE---只是调试
当只有一个缓冲区要被传输时，使用:dma_addr_t dma_map_single(struct device *dev, void *buffer, size_t size, enum dma_data_direction direction)
----这里的buffer是虚拟地址
- 缓冲区的传送方向只能匹配映射时指定的方向值
- 一旦缓冲区被映射，它将属于设备，而不是处理器。直到缓冲区被撤销映射前，驱动程序不能以任何方式访问其中的内容。，也就是说在所有数据写入到缓冲区之前，不要映射缓冲区。
- DMA活动期间不能撤销对缓冲区的映射。
为什么驱动程序不能访问映射后的缓冲区呢？
- 当一个缓冲区建立DMA映射时，内核必须保证在该缓冲区内的全部数据都被写入内存。当调用dma_unmap_single时，很可能有些数据还在处理器的缓冲中，因此必须被显示刷新。刷新之后，处理器写入缓冲区的数据对设备是不可见的。
- 如果要映射的缓冲区位于设备不能访问的内存区。
分散/聚集映射
