通用设备的动态DMA映射
by JHJ(jianghuijun211@gmail.com)
本文描述DMA API。更详细的介绍请参看Documentation/DMA-API-HOWTO.txt。
API分为两部分，第一部分描述API，第二部分描述可以支持非一致性内存机器的扩展API。你应该使用第一部分所描述的API，除非你知道你的驱动必须要支持非一致性平台。
第一部分 DMA API
为了可以引用DMA API，你必须 #include <linux/dma-mapping.h>
1-1 使用大块DMA一致性缓冲区（dma-coherent buffers）
void *
dma_alloc_coherent(struct device *dev, size_t size,
dma_addr_t *dma_handle, gfp_t flag)
一致性内存：设备对一块内存进行写操作，处理器可以立即进行读操作，而无需担心处理器高速缓存(cache)的影响。同样的，处理器对一块内存进行些操作，设备可以立即进行读操作。（在告诉设备读内存时，你可能需要确定刷新处理器的写缓存。）
此函数申请一段大小为size字节的一致性内存，返回两个参数。一个是dma_handle，它可以用作这段内存的物理地址。 另一个是指向被分配内存的指针（处理器的虚拟地址）。
注意：由于在某些平台上，使用一致性内存代价很高，比如最小的分配长度为一个页。因此你应该尽可能合并申请一致性内存的请求。最简单的办法是使用dma_pool函数调用（详见下文）。
参数flag（仅存在于dma_alloc_coherent中）运行调用者定义申请内存时的GFP_flags（详见kmalloc）。
void *
dma_zalloc_coherent(struct device *dev, size_t size,
dma_addr_t *dma_handle, gfp_t flag)
对dma_alloc_coherent()的封装，如果内存分配成功，则返回清零的内存。
void
dma_free_coherent(struct device *dev, size_t size, void *cpu_addr,
dma_addr_t dma_handle)
释放之前申请的一致性内存。dev, size及dma_handle必须和申请一致性内存的函数参数相同。cpu_addr必须为申请一致性内存函数的返回虚拟地址。
注意：和其他内存分配函数不同，这些函数必须要在中断使能的情况下使用。
1-2 使用小块DMA一致性缓冲区
如果要使用这部分DMA API，必须#include <linux/dmapool.h>。
许多驱动程序需要为DMA描述符或者I/O内存申请大量小块DMA一致性内存。你可以使用DMA 内存池，而不是申请以页为单位的内存块或者调用dma_alloc_coherent()。这种机制有点像struct kmem_cache，只是它利用了DMA一致性内存分配器，而不是调用 __get_free_pages()。同样地，DMA 内存池知道通用硬件的对齐限制，比如队列头需要N字节对齐。
struct dma_pool *
dma_pool_create(const char *name, struct device *dev,
size_t size, size_t align, size_t alloc);
create( )函数为设备初始化DMA一致性内存的内存池。它必须要在可睡眠上下文调用。
name为内存池的名字（就像struct kmem_cache name一样）。dev及size就如dma_alloc_coherent()参数一样。align为设备硬件需要的对齐大小（单位为字节，必须为2的幂次方）。如果设备没有边界限制，可以设置该参数为0。如果设置为4096，则表示从内存池分配的内存不能超过4K字节的边界。
void *
dma_pool_alloc(struct dma_pool *pool, gfp_t gfp_flags,
dma_addr_t *dma_handle);
从内存池中分配内存。返回的内存同时满足申请的大小及对齐要求。设置GFP_ATOMIC可以确保内存分配被block，设置GFP_KERNEL（不能再中断上下文，不会保持SMP锁）允许内存分配被block。和dma_alloc_coherent()一样，这个函数会返回两个值：一个值是cpu可以使用的虚拟地址，另一个值是内存池设备可以使用的dma物理地址。
void
dma_pool_free(struct dma_pool *pool, void *vaddr,
dma_addr_t addr);
返回内存给内存池。参数pool为传递给dma_pool_alloc()的pool，参数vaddr及addr为dma_pool_alloc()的返回值。
void
dma_pool_destroy(struct dma_pool *pool);
内存池析构函数用于释放内存池的资源。这个函数在可睡眠上下文调用。请确认在调用此函数时，所有从该内存池申请的内存必须都要归还给内存池。
1-3 DMA寻址限制
int
dma_supported(struct device *dev, u64 mask)
用来检测该设备是否支持掩码所表示的DMA寻址能力。比如mask为0x0FFFFFF，则检测该设备是否支持24位寻址。
返回1表示支持，0表示不支持。
注意：该函数很少用于检测是否掩码为可用的，它不会改变当前掩码设置。它是一个内部API而非供驱动者使用的外部API。
int
dma_set_mask(struct device *dev, u64 mask)
检测该掩码是否合法，如果合法，则更新设备参数。即更新设备的寻址能力。
返回0表示成功，返回负值表示失败。
int
dma_set_coherent_mask(struct device *dev, u64 mask)
检测该掩码是否合法，如果合法，则更新设备参数。即更新设备的寻址能力。
返回0表示成功，返回负值表示失败。
u64
dma_get_required_mask(struct device *dev)
该函数返回平台可以高效工作的掩码。通常这意味着返回掩码是可以寻址到所有内存的最小值。检查该值可以让DMA描述符的大小尽量的小。
请求平台需要的掩码并不会改变当前掩码。如果你想利用这点，可以利用改返回值通过dma_set_mask()设置当前掩码。
1-4 流式DMA映射
dma_addr_t
dma_map_single(struct device *dev, void *cpu_addr, size_t size,
enum dma_data_direction direction)
映射一块处理器的虚拟地址，这样可以让外设访问。该函数返回内存的物理地址。
在dma_API中强烈建议使用表示DMA传输方向的枚举类型。
DMA_NONE 仅用于调试目的
DMA_TO_DEVICE 数据从内存传输到设备，可认为是写操作。
DMA_FROM_DEVICE 数据从设备传输到内存，可认为是读操作。
DMA_BIDIRECTIONAL 不清楚传输方向则可用该类型。
请注意：并非一台机器上所有的内存区域都可以用这个API映射。进一步说，对于内核连续虚拟地址空间所对应的物理地址并不一定连续（比如这段地址空间由vmalloc申请）。因为这种函数并未提供任何分散/聚集能力，因此用户在企图映射一块非物理连续的内存时，会返回失败。基于此原因，如果想使用该函数，则必须确保缓冲区的物理内存连续（比如使用kmalloc）。
更进一步，所申请内存的物理地址必须要在设备的dma_mask寻址范围内（dma_mask表示与设备寻址能力对应的位）。为了确保由kmalloc申请的内存在dma_mask中，驱动程序需要定义板级相关的标志位来限制分配的物理内存范围（比如在x86上，GFP_DMA用于保证申请的内存在可用物理内存的前16Mb空间，可以由ISA设备使用）。
同时还需注意，如果平台有IOMMU（设备拥有MMU单元，可以进行I/O内存总线和设备的映射，即总线地址和内存物理地址的映射），则上述物理地址连续性及外设寻址能力的限制就不存在了。当然为了方便起见，设备驱动开发者可以假设不存在IOMMU。
警告：内存一致性操作基于高速缓存行(cache line)的宽度。为了可以正确操作该API创建的内存映射，该映射区域的起始地址和结束地址都必须是高速缓存行的边界（防止在一个高速缓存行中有两个或多个独立的映射区域）。因为在编译时无法知道高速缓存行的大小，所以该API无法确保该需求。因此建议那些对高速缓存行的大小不特别关注的驱动开发者们，在映射虚拟内存时保证起始地址和结束地址都是页对齐的（页对齐会保证高速缓存行边界对齐的）。
DMA_TO_DEVICE 软件对内存区域做最后一次修改后，且在传输给设备前，需要做一次同步。一旦该使用该原语，内存区域可被视作设备只读缓冲区。如果设备需要对该内存区域进行写操作，则应该使用DMA_BIDIRECTIONAL（如下所示）
DMA_FROM_DEVICE 驱动在访问数据前必须做一次同步，因为数据可能被设备修改了。内存缓冲区应该被当做驱动只读缓冲区。如果驱动需要进行写操作，应该使用DMA_BIDIRECTIONAL（如下所示）。
DMA_BIDIRECTIONAL 需要特别处理：这意味着驱动并不确定内存数据传输到设备前，内存是否被修改了，同时也不确定设备是否会修改内存。因此，你必须需要两次同步双向内存：一次在内存数据传输到设备前（确保所有缓冲区数据改变都从处理器的高速缓存刷新到内存中），另一次是在设备可能访问该缓冲区数据前（确保所有处理器的高速缓存行都得到了更新，设备可能改变了缓冲区数据）。即在处理器写操作完成时，需要做一次刷高速缓存的操作，以确保数据都同步到了内存缓冲区中。在处理器读操作前，需要更新高速缓冲区的行，已确保设备对内存缓冲区的改变都同步到了高速缓冲区中。
void
dma_unmap_single(struct device *dev, dma_addr_t dma_addr, size_t size,
enum dma_data_direction direction)
取消先前的内存映射。传入该函数的所有参数必须和映射API函数的传入（包括返回）参数相同。
dma_addr_t
dma_map_page(struct device *dev, struct page *page,
unsigned long offset, size_t size,
enum dma_data_direction direction)
void
dma_unmap_page(struct device *dev, dma_addr_t dma_address, size_t size,
enum dma_data_direction direction)
对页进行映射/取消映射的API。对其他映射API的注意事项及警告对此都使用。同样的，参数<offset>及<size>用于部分页映射，如果你对高速缓存行的宽度不清楚的话，建议你不要使用这些参数。
int
dma_mapping_error(struct device *dev, dma_addr_t dma_addr)
在某些场景下，通过dma_map_single及dma_map_page创建映射可能会失败。驱动程序可以通过此函数来检测这些错误。一个非零返回值表示未成功创建映射，驱动程序需要采取适当措施（比如降低当前DMA映射使用率或者等待一段时间再尝试）。
int
dma_map_sg(struct device *dev, struct scatterlist *sg,
int nents, enum dma_data_direction direction)
返回值：被映射的物理内存块的数量（如果在分散/聚集链表中一些元素是物理地址或虚拟地址相邻的，切IOMMU可以将它们映射成单个内存块，则返回值可能比输入值<nents>小）。
请注意如果sg已经映射过了，其不能再次被映射。再次映射会销毁sg中的信息。
如果返回0，则表示dma_map_sg映射失败，驱动程序需要采取适当措施。驱动程序在此时做一些事情显得格外重要，一个阻塞驱动中断请求或者oopsing都总比什么都不做导致文件系统瘫痪强很多。
下面是个分散/聚集映射的例子，假设scatterlists已经存在。
int i, count = dma_map_sg(dev, sglist, nents, direction);
struct scatterlist *sg;
for_each_sg(sglist, sg, count, i) {
hw_address[i] = sg_dma_address(sg);
hw_len[i] = sg_dma_len(sg);
}
其中nents为sglist条目的个数。
这种实现可以很方便将几个连续的sglist条目合并成一个（比如在IOMMU系统中，或者一些页正好是物理连续的）。
然后你就可以循环多次（可能小于nents次）使用sg_dma_address() 及sg_dma_len()来获取sg的物理地址及长度。
void
dma_unmap_sg(struct device *dev, struct scatterlist *sg,
int nhwentries, enum dma_data_direction direction)
取消先前分散/聚集链表的映射。所有参数和分散/聚集映射API的参数相同。
注意：<nents>是传入的参数，不一定是实际返回条目的数值。
void dma_sync_single_for_cpu(struct device *dev, dma_addr_t dma_handle, size_t size,
enum dma_data_direction direction)
void dma_sync_single_for_device(struct device *dev, dma_addr_t dma_handle, size_t size,
enum dma_data_direction direction)
void dma_sync_sg_for_cpu(struct device *dev, struct scatterlist *sg, int nelems,
enum dma_data_direction direction)
void dma_sync_sg_for_device(struct device *dev, struct scatterlist *sg, int nelems,
enum dma_data_direction direction)
为CPU及外设同步single contiguous或分散/聚集映射。
注意：你必须要做这个工作，
-
在CPU读操作前，此时缓冲区由设备通过DMA写入数据（DMA_FROM_DEVICE）
-
在CPU写操作后，缓冲区数据将通过DMA传输到设备（DMA_TO_DEVICE）
-
在传输数据到设备前后（DMA_BIDIRECTIONAL）
dma_addr_t
dma_map_single_attrs(struct device *dev, void *cpu_addr, size_t size,
enum dma_data_direction dir,
struct dma_attrs *attrs)
void
dma_unmap_single_attrs(struct device *dev, dma_addr_t dma_addr,
size_t size, enum dma_data_direction dir,
struct dma_attrs *attrs)
int
dma_map_sg_attrs(struct device *dev, struct scatterlist *sgl,
int nents, enum dma_data_direction dir,
struct dma_attrs *attrs)
void
dma_unmap_sg_attrs(struct device *dev, struct scatterlist *sgl,
int nents, enum dma_data_direction dir,
struct dma_attrs *attrs)
这四个函数除了传入可选的struct dma_attrs*之外，其他和不带_attrs后缀的函数一样。
struct dma_attrs概述了一组DMA属性。struct dma_attrs详细定义请参见linux/dma-attrs.h。
DMA属性的定义是和体系结构相关的，并且Documentation/DMA-attributes.txt有详细描述。
如果struct dma_attrs* 为空，则这些函数可以认为和不带_attrs后缀的函数相同。
下面给出一个如何使用*_attrs 函数的例子，当进行DMA内存映射时，如何传入一个名为DMA_ATTR_FOO的属性：
#include <linux/dma-attrs.h>
/* DMA_ATTR_FOO should be defined in linux/dma-attrs.h and
* documented in Documentation/DMA-attributes.txt */
...
DEFINE_DMA_ATTRS(attrs);
dma_set_attr(DMA_ATTR_FOO, &attrs);
....
n = dma_map_sg_attrs(dev, sg, nents, DMA_TO_DEVICE, &attr);
....
在映射/取消映射的函数中，可以检查DMA_ATTR_FOO是否存在：
void whizco_dma_map_sg_attrs(struct device *dev, dma_addr_t dma_addr,
size_t size, enum dma_data_direction dir,
struct dma_attrs *attrs)
{
....
int foo = dma_get_attr(DMA_ATTR_FOO, attrs);
....
if (foo)
/* twizzle the frobnozzle */
....
第二部分 高级DMA使用方法
警告：下面这些DMA API在大多数情况下不应该被使用。因为它们为一些特殊的需求而准备的，大部分驱动程序并没有这些需求。
如果你不清楚如何确保桥接处理器和I/O设备之间的高速缓存行的一致性，你就根本不应该使用该部分所提到的API。
void *
dma_alloc_noncoherent(struct device *dev, size_t size,
dma_addr_t *dma_handle, gfp_t flag)
平台会根据自身适应条件来选择返回一致性或非一致性内存，其他和dma_alloc_coherent()相同。在使用该函数时，你应该确保在驱动程序中对该内存做了正确的和必要的同步操作。
注意，如果返回一致性内存，则它会确保所有同步操作都变成空操作。
警告：处理非一致性内存是件痛苦的事情。如果你确信你的驱动要在非常罕见的平台上（通常是非PCI平台）运行，这些平台无法分配一致性内存时，你才可以使用该API。
void
dma_free_noncoherent(struct device *dev, size_t size, void *cpu_addr,
dma_addr_t dma_handle)
释放由非一致性API申请的内存。
int
dma_get_cache_alignment(void)
返回处理器高速缓存对齐值。应该注意在你打算映射内存或者做局部映射时，该值为最小对齐值。
注意：该API可能返回一个比实际缓存行的大的值。通常为了方便对齐，该值为2的幂次方。
void
dma_cache_sync(struct device *dev, void *vaddr, size_t size,
enum dma_data_direction direction)
对由dma_alloc_noncoherent()申请的内存做局部映射，其实虚拟地址为vaddr。在做该操作时，请注意缓存行的边界。
int
dma_declare_coherent_memory(struct device *dev, dma_addr_t bus_addr,
dma_addr_t device_addr, size_t size, int flags)
当设备需要一段一致性内存时，申请由dma_alloc_coherent分配的一段内存区域。
flag 可以由下面这些标志位进行或操作。
DMA_MEMORY_MAP 请求由dma_alloc_coherent()申请的内存为直接可写。
DMA_MEMORY_IO 请求由dma_alloc_coherent()申请的内存可以通过read/write/memcpy_toio等函数寻址到。
flag必须包含上述其中一个或者两个标志位。
DMA_MEMORY_INCLUDES_CHILDREN
DMA_MEMORY_EXCLUSIVE
为了使操作简单化，每个设备只能申申明一个该内存区域。
处于效率考虑的目的，大多数平台选择页对齐的区域。对于更小的内存分配，可以使用dma_pool() API。
void
dma_release_declared_memory(struct device *dev)
从系统中移除先前申明的内存区域。该函数不会检测当前区域是否在使用。确保该内存区域当前没有被使用这是驱动程序的事情。
void *
dma_mark_declared_memory_occupied(struct device *dev,
dma_addr_t device_addr, size_t size)
该函数用于覆盖特殊内存区域（dma_alloc_coherent()会分配出第一个可用内存区域）。
返回值为指向该内存的处理器虚拟地址，或者如果其中福分区域被覆盖，则返回一个错误（通过PRT_ERR()）。
第三部分 调试驱动程序对DMA-API的使用情况
DMA-API如前文所述有一些限制。在支持硬件IOMMU的系统中，驱动程序不能违反这些限制将变得更加重要。最糟糕的情况是，如果违反了这些限制准则，会导致数据出错知道摧毁文件系统。
为了debug驱动程序及发现使用DMA-API时的bug，检测代码可以编译到kernel中，它们可以告诉开发者那些违规行为。如果你的体系结构支持，你可以选择编译选项“Enable debugging of DMA-API usage”，使能这个选项会影响系统性能，所以请勿在产品内核中加入该选项。
如果你用使能debug选项的内核启动，那么它会记录哪些设备会使用什么DMA内存。如果检测到错误信息，则会在内核log中打印一些警告信息。下面是一个警告提示的例子：
------------[ cut here ]------------
WARNING: at /data2/repos/linux-2.6-iommu/lib/dma-debug.c:448
check_unmap+0x203/0x490()
Hardware name:
forcedeth 0000:00:08.0: DMA-API: device driver frees DMA memory with wrong
function [device address=0x00000000640444be] [size=66 bytes] [mapped as
single] [unmapped as page]
Modules linked in: nfsd exportfs bridge stp llc r8169
Pid: 0, comm: swapper Tainted: G W 2.6.28-dmatest-09289-g8bb99c0 #1
Call Trace:
<IRQ> [<ffffffff80240b22>] warn_slowpath+0xf2/0x130
[<ffffffff80647b70>] _spin_unlock+0x10/0x30
[<ffffffff80537e75>] usb_hcd_link_urb_to_ep+0x75/0xc0
[<ffffffff80647c22>] _spin_unlock_irqrestore+0x12/0x40
[<ffffffff8055347f>] ohci_urb_enqueue+0x19f/0x7c0
[<ffffffff80252f96>] queue_work+0x56/0x60
[<ffffffff80237e10>] enqueue_task_fair+0x20/0x50
[<ffffffff80539279>] usb_hcd_submit_urb+0x379/0xbc0
[<ffffffff803b78c3>] cpumask_next_and+0x23/0x40
[<ffffffff80235177>] find_busiest_group+0x207/0x8a0
[<ffffffff8064784f>] _spin_lock_irqsave+0x1f/0x50
[<ffffffff803c7ea3>] check_unmap+0x203/0x490
[<ffffffff803c8259>] debug_dma_unmap_page+0x49/0x50
[<ffffffff80485f26>] nv_tx_done_optimized+0xc6/0x2c0
[<ffffffff80486c13>] nv_nic_irq_optimized+0x73/0x2b0
[<ffffffff8026df84>] handle_IRQ_event+0x34/0x70
[<ffffffff8026ffe9>] handle_edge_irq+0xc9/0x150
[<ffffffff8020e3ab>] do_IRQ+0xcb/0x1c0
[<ffffffff8020c093>] ret_from_intr+0x0/0xa
<EOI> <4>---[ end trace f6435a98e2a38c0e ]---
驱动开发者可以通过DMA-API的栈回溯信息找出什么导致这些警告。
默认情况下只有第一个错误会打印警告信息，其他错误不会打印警告信息。这种机制保证当前警告打印信息不会冲了你的内核信息。为了debug设备驱动，可以通过debugfs禁止该功能。请看下面详细的defbugfs接口文档。
调试DMA-API代码的debugfs目录叫dma-api/。下列文件存在于该个目录下：
dma-api/all_errors 该文件节点包含一个数值。如果该值不为零，则调试代码会在遇到每个错误的时候都打印警告信息。请注意这个选项会轻易覆盖你的内核信息缓冲区。
dma-api/disabled 只读文件节点，如果禁止调试代码则显示字符“Y”。当系统没有足够内存或者在系统启动时禁止调试功能时，该节点显示“Y”。
dma-api/error_count 只读文件节点，显示发现错误的次数。
dma-api/num_errors 该文件节点显示在打印停止前一共打印多少个警告信息。该值在系统启动时初始化为1，通过写该文件节点来设置该值。
dma-api/min_free_entries 只读文件节点，显示分配器记录的可用dma_debug_entries的最小数目。如果该值变为零，则禁止调试代码。
dma-api/num_free_entries 当前分配器可用dma_debug_entries的数目。
dma-api/driver-filter 通过向该文件节点写入驱动的名字来限制特定驱动的调试输出。如果向该节点输入空字符，则可以再次看到全部错误信息。
如果这些代码默认编译到你的内核中，该调试功能被默认打开。如果在启动时你不想使用该功能，则可以设置“dma_debug=off”作为启动参数，该参数会禁止该功能。如果你想在系统启动后再次打开该功能，则必须重启系统。
如果你指向看到特定设备驱动的调试信息，则可以设置“dma_debug_driver=<drivername>”作为参数。它会在系统启动时使能驱动过滤器。调试代码只会打印和该驱动相关的错误信息。过滤器可以通过debugfs来关闭或者改变。
如果该调试功能在系统运行时自动关闭，则可能是超出了dma_debug_entries的最大限制。这些debug条目在启动时就分配好了，条目数量由每个体系结构自己定义。你可以在启动时使用“dma_debug_entries=<your_desired_number>”来重写该值。
参考文献
[1] documentation/DMA-API.txt
DMA动态映射指南
translated by JHJ(jianghuijun211@gmail.com)
本文通过伪代码指导驱动开发者如何正确使用DMA API。关于API更精确的描述，请参考DMA-API.txt。
大多是64位平台有一些特殊硬件可以将总线地址（DMA地址）转换为物理地址。这个和CPU如何利用页表或TLB将虚拟地址转换成物理地址有点像。这种地址转换是有必要的，就像PCI设备可以在单个寻址周期里在64位物理地址空间寻址到任何一个页面。以前linux上的64位平台需要人为设置系统的最大内存大小，这样virt_to_bus()就可以正在工作了（DMA地址转换页表在系统启动时简单初始化，通过__pa(bus_to_virt()可以将DMA地址转换为物理页地址）。
为了使linux可以使用DMA动态映射，它需要得到驱动的一些协助，也就是说需要考虑DMA地址只有在使用时才被映射，DMA传输后，需要取消映射。
当然下面这些API可以在没有这些硬件限制的情况下正常工作。
请注意这些DMA API可以在任何总线上工作，和体系结构无关。你应该是用DMA API而不是特定总线的DMA API（比pci_dma_*）。
首先，你需要确定在你的驱动程序中
#include <linux/dma-mapping.h>
该文件定义了类型dma_addr_t（），它作为一个从DMA 映射函数返回的（总线）地址，到处都会使用到。
什么样的内存是DMA可用的？
第一件你要知道的事情是什么样的内核内存可以用作DMA映射。关于此有一些非书面的准则，本文试图将它们以文字的方式整理出来。
如果你通过页分配器（比如__get_free_page*()）或者通用内存分配器（比如kmalloc() or kmem_cache_alloc()）分配内存，那么你可以使用由这些函数返回的内存地址用作DMA传输。
这意味着你不能使用vmalloc()返回的内存地址用作DMA。DMA使用由vmalloc申请的内存是有可能的，但是需要遍历页表来获取物理地址，然后将这些页通过类似__va()这样的函数转换成内核虚拟地址。
这条规则意味着你不能将内核镜像地址（在data/text/bss段），或者模块镜像地址，或者栈地址用于DMA。即使这些物理内存可以用于DMA，你也要确保I/O缓冲区是缓存行对齐的。如果不是这样，你将会看到由于DMA不一致性缓存导致的缓存行共享问题（数据丢失）。比如处理器可能写一个字，而DMA在同一个缓存行写另一个字，他们两中的一个将被修改。
同样的，这意味着你不能使用由kmap()调用返回的地址，理由与vmalloc()一样。
可阻塞I/O或者网络缓冲区又会怎么样呢？可阻塞I/O及网络子系统可以确保它们使用的缓冲区可以用于DMA传输。
DMA寻址限制
你的设备有DMA寻址限制吗？比如你的设备只有低24位寻址能力？如果是的，那么你就需通知内核。
默认情况下，内核假设设备可以在32位地址空间寻址。对于64位设备，设备的寻址空间将大大增加。对于一个有寻址限制的外设，如前面所讨论的，需要减小寻址空间。
特别注意对于PCI设备：PCI-X规格书要求PCI-X设备对于数据交互要支持64位寻址。至少在一个平台上（SGI SN2）需要64位一致性内存分配，这样才可以在IO总线为PCI-X模式下正常工作。
可以通过调用dma_set_mask()来通知内核相关限制：
int dma_set_mask(struct device *dev, u64 mask);
通过调用dma_set_coherent_mask()通知内核一致性内存分配的限制。
int dma_set_coherent_mask(struct device *dev, u64 mask);
这里devi为一个指向设备的指针，掩码显示与设备寻址能力对应的位。如果使用指定的mask时DMA能正常工作，则返回零。通常来说，设备数据结构是内嵌到特定总线的设备结构中的。比如一个指向PCI设备的指针为pdev->dev（pdev指向PCI设备）。
如果返回非零值，则对应设备不能使用DMA。如果强行使用则会出现一些不确定现象。此时你需要用一个不同的掩码，或者不适用DMA。这意味着如果返回失败，你有三个选择：
1）如果可能的话，使用另一个DMA掩码值；
2）如果可能的话使用非DMA模式传输数据；
3）放弃该设备，不要初始化该设备；
因此如果你不想执行第二步或者第三步时，你应该在驱动中打印一个KERN_WARNING的消息。这样的话，当驱动使用者抱怨性能很差时，或者根本检测不到设备时，你可以让他们保存内核信息来找出准确原因。
标准的32位寻址设备会如下做一些事情：
if (dma_set_mask(dev, DMA_BIT_MASK(32))) {
printk(KERN_WARNING
"mydev: No suitable DMA available.\n");
goto ignore_this_device;
}
另一个常见的场景是拥有64位寻址能力的设备。该方法用于尝试64位寻址，但是会使用32位掩码，这样可以确保不会失败。内核可以在64位掩码中返回失败，不是因为没有64位寻址能力，而是因为32位寻址比64位寻址更加有效率。比如Sparc64 PCI SAC寻址就比DAC寻址更加有效率。
下面的例子告诉你如何处理拥有64位处理能力的设备的流式DMA。
int using_dac;
if (!dma_set_mask(dev, DMA_BIT_MASK(64))) {
using_dac = 1;
} else if (!dma_set_mask(dev, DMA_BIT_MASK(32))) {
using_dac = 0;
} else {
printk(KERN_WARNING
"mydev: No suitable DMA available.\n");
goto ignore_this_device;
}
如果一个设备可以使用64位一致性内存，那么代码如下：
int using_dac, consistent_using_dac;
if (!dma_set_mask(dev, DMA_BIT_MASK(64))) {
using_dac = 1;
consistent_using_dac = 1;
dma_set_coherent_mask(dev, DMA_BIT_MASK(64));
} else if (!dma_set_mask(dev, DMA_BIT_MASK(32))) {
using_dac = 0;
consistent_using_dac = 0;
dma_set_coherent_mask(dev, DMA_BIT_MASK(32));
} else {
printk(KERN_WARNING
"mydev: No suitable DMA available.\n");
goto ignore_this_device;
}
最后，如果你的设备只有低24位寻址能力，那么代码可能如下：
if (dma_set_mask(dev, DMA_BIT_MASK(24))) {
printk(KERN_WARNING
"mydev: 24-bit DMA addressing not available.\n");
goto ignore_this_device;
}
当调用dma_set_mask()成功时，会返回零。内核会保存输入的掩码值。以后再做DMA映射时就会用到该掩码信息。
有一个特殊情况我们需要在这里提及一下。如果设备支持多重功能（比如声卡支持播放和录音功能），不同的功能有不同的DMA寻址寻址限制，你可能想探测每个掩码然后选出一个机器可以处理的值。最后调用dma_set_mask()会成为最特别的掩码值，这点很重要。
下面给出伪代码来展示如何处理该问题。
#define PLAYBACK_ADDRESS_BITS DMA_BIT_MASK(32)
#define RECORD_ADDRESS_BITS DMA_BIT_MASK(24)
struct my_sound_card *card;
struct device *dev;
...
if (!dma_set_mask(dev, PLAYBACK_ADDRESS_BITS)) {
card->playback_enabled = 1;
} else {
card->playback_enabled = 0;
printk(KERN_WARNING "%s: Playback disabled due to DMA limitations.\n",
card->name);
}
if (!dma_set_mask(dev, RECORD_ADDRESS_BITS)) {
card->record_enabled = 1;
} else {
card->record_enabled = 0;
printk(KERN_WARNING "%s: Record disabled due to DMA limitations.\n",
card->name);
}
DMA映射类型
有两种DMA映射类型。一种为一致性DMA映射，另一种为流式DMA映射。
一致性DMA映射通常在驱动初始化时就完成映射，驱动退出时取消映射。硬件应该保证外设及处理器可以并发访问数据，在没有显性软件刷缓存的情况下，双方都可以看到数据的变换。
可以将“一致性”认为“同步的”。
当前默认返回一致性内存为低32位总线地址，但是考虑到未来的兼容性，你应该设置一致性掩码，尽管默认值对于你的驱动来说是可以正常工作的。
使用一致性映射的好的例子如下：
-
网卡DMA环描述符；
-
SCSI适配器邮箱命令数据结构；
-
当超过主内存时的设备固件代码；
这些例子的共性是当处理器存储数据到内存中，设备立即可见，反之亦然。一致性映射可以保证这点。
重要点：一致性DMA内存并不包括使用适当的内存屏障。处理器可能会重新排序存入一致性内存中的数据。比如，设备需要看到一个描述符的第一个字先得到更新了，然后再看到第二个字得到更新，这个顺序非常重要。你应该像下面这样做来保证在所有平台上都可以正常工作：
desc->word0 = address;
wmb();
desc->word1 = DESC_VALID;
DMA流映射通常映射一次DMA传输，传输完后取消映射（除非使用下面所述的dma_sync_*），硬件可以优化访问顺序。
这里的“流”指的是“异步的”或“在一致性区域外的”。
使用流映射好的例子有：
-
设备传输/接受网络缓冲区；
-
SCSI设备的读写文件系统缓冲区；
使用流映射的接口用于实现硬件支持的性能优化。到此为止，当使用这种映射时，你需要明确知道你为什么使用它。
使用DMA一致性映射
申请和映射大型（以页为单位）一致性DMA缓冲区，你应该：
dma_addr_t dma_handle;
cpu_addr = dma_alloc_coherent(dev, size, &dma_handle, gfp);
这里device是struct device *。如果使用GFP_ATOMIC标志，则可以在中断上下文调用。
size是你想申请的缓冲区的大小，单位为bytes。
该函数会在内存中申请一块缓冲区，就像调用__get_free_pages（将size替换成页的阶数）一样。如果你的驱动希望获取小于一个页面的缓冲区，可以调用dma_pool接口，下面有详细描述。
DMA一致性映射接口默认会返回一个32位的DMA地址。即使设备申明（通过DMA掩码）它有超过32位的寻址能力，如果一致性DMA掩码显性的通过调用dma_set_coherent_mask()来设置，那么一致性分配会返回一个大于32位DMA地址。对于dma_pool接口也一样。
dma_alloc_coherent返回两个值：一个处理可以使用的虚拟地址和一个设备卡可以使用的dma_handle。
处理器的返回地址及DMA总线地址是最小的页的幂次方对齐，返回的缓冲区的大小会大于或者等于申请的size。比如你申请的缓存区小于或者等于64KB，那么返回的缓冲区大小不会超过64KB。
如果想取消映射和释放该DMA缓冲区，可以调用下面的函数：
dma_free_coherent(dev, size, cpu_addr, dma_handle);
如果你的驱动需要很多小块内存缓冲区，你可以写一些本地代码将dma_alloc_coherent申请的页分成小块，或者可以调用dma_pool 接口函数。dma_pool有点像kmem_cache，但它使用的是dma_alloc_coherent，而不是__get_free_pages。同样地，它也知道通用硬件的对齐限制，比如队列头需要N字节对齐。
创建一个dma_pool：
struct dma_pool *pool;
pool = dma_pool_create(name, dev, size, align, alloc);
name为内存池的名字（就像struct kmem_cache name一样）。dev及size就如dma_alloc_coherent()参数一样。align为设备硬件需要的对齐大小（单位为字节，必须为2的幂次方）。如果设备没有边界限制，可以设置该参数为0。如果设置为4096，则表示从内存池分配的内存不能超过4K字节的边界（这个时候最好直接使用dma_alloc_coherent）。
从DMA内存池中申请内存：
cpu_addr = dma_pool_alloc(pool, flags, &dma_handle);
使用SLAB_KERNEL表示可以阻塞申请内存（不能在中断上下文及持有SMP锁），SLAB_ATOMIC表示无阻塞申请内存。和dma_alloc_coherent一样，它会返回两个值，cpu_addr 及 dma_handle。
释放内存给dma_pool：
dma_pool_free(pool, cpu_addr, dma_handle);
参数pool为传递给dma_pool_alloc()的pool，参数vaddr及addr为dma_pool_alloc()的返