在Linux内核中,一致性DMA(Coherent DMA) 和流式DMA(Streaming DMA) 是两种不同的DMA映射方式,主要区别在于缓存一致性的处理方式:
- 一致性DMA(Coherent DMA)
特点:
· 缓存一致性:CPU和DMA设备看到的内存内容总是保持一致的
· 硬件支持:通常需要硬件(如CPU、总线、DMA控制器)支持缓存一致性协议
· 性能开销:由于需要维护一致性,可能有额外的性能开销
使用场景:
· 小数据频繁访问:设备控制块、状态寄存器等
· 双向访问:CPU和设备都需要频繁读写同一内存区域
· 长时间映射:映射持续时间较长
常用API:
c
void *dma_alloc_coherent(struct device *dev, size_t size,
dma_addr_t *dma_handle, gfp_t flag);
void dma_free_coherent(struct device *dev, size_t size,
void *cpu_addr, dma_addr_t dma_handle);
- 流式DMA(Streaming DMA)
特点:
· 软件管理一致性:需要显式调用API来同步缓存
· 性能更好:没有持续的一致性维护开销
· 更灵活:可以映射任意已有的内存缓冲区
使用场景:
· 大数据传输:网络数据包、磁盘I/O缓冲区
· 单向传输:主要是CPU→设备或设备→CPU的数据流
· 短时映射:映射后立即使用,完成后取消映射
常用API:
c
// 映射单个缓冲区
dma_addr_t dma_map_single(struct device *dev, void *ptr,
size_t size, enum dma_data_direction dir);
// 取消映射
void dma_unmap_single(struct device *dev, dma_addr_t dma_addr,
size_t size, enum dma_data_direction dir);
// 分散/聚集映射(scatter-gather)
int dma_map_sg(struct device *dev, struct scatterlist *sg,
int nents, enum dma_data_direction dir);
- 关键区别对比
特性 一致性DMA 流式DMA
缓存一致性 自动保证 需要手动同步
性能开销 较高 较低
内存分配 专用分配 可映射任意内存
使用复杂度 简单 较复杂
硬件要求 需要硬件支持 无特殊要求
适用数据 小数据、频繁访问 大数据、一次性传输
- 缓存同步问题
流式DMA需要显式同步:
c
// 数据从CPU到设备(CPU写,设备读)
dma_map_single(dev, buf, size, DMA_TO_DEVICE);
// 内核会确保CPU写入的数据刷新到内存
// 数据从设备到CPU(设备写,CPU读)
dma_addr_t dma_handle = dma_map_single(dev, buf, size, DMA_FROM_DEVICE);
// 设备写入数据后
dma_unmap_single(dev, dma_handle, size, DMA_FROM_DEVICE);
// 内核会使CPU缓存失效,确保CPU读取最新数据
- 实际选择建议
使用一致性DMA当:
· 硬件支持且性能可接受
· 数据结构需要被CPU和设备频繁交替访问
· 不想处理复杂的缓存同步逻辑
使用流式DMA当:
· 需要最佳性能
· 传输大量数据
· 硬件不支持缓存一致性
· 愿意处理显式的缓存同步
- 现代发展
随着硬件发展,一致性DMA越来越普遍,特别是:
· ARM体系中的DMA coherent pool
· 设备树中的dma-coherent属性
· IOMMU/SMMU的支持使得一致性映射更高效
但流式DMA仍然在性能关键场景中占据重要地位,特别是在网络、存储等高性能I/O路径中。