3. Linux DMA子系统概览
在Linux内核中，DMA子系统并不是单一模块，而是由DMA引擎框架、DMA映射接口、一致性DMA与流式DMA两条分配路径共同组成的协作体系。理解这套体系的关键，是分清“谁在搬数据”和“CPU与设备如何看到同一块内存”这两个问题。前者由DMA控制器和DMA引擎驱动负责，后者由DMA映射API和缓存一致性机制负责。
一、DMA引擎：把“搬运”抽象成通道与描述符
DMA引擎框架位于drivers/dma/，核心思想是把不同厂商的DMA控制器统一抽象为DMA channel和DMA descriptor。外设驱动不再直接操作寄存器，而是通过dmaengineAPI提交传输请求。典型流程如下：
struct dma_chan *chan;
struct dma_slave_config cfg;
struct dma_async_tx_descriptor *tx;
chan = dma_request_chan(dev, "rx");
dmaengine_slave_config(chan, &cfg);
tx = dmaengine_prep_slave_sg(chan, sgl, nents,
DMA_DEV_TO_MEM, DMA_PREP_INTERRUPT);
tx->callback = my_dma_callback;
dmaengine_submit(tx);
dma_async_issue_pending(chan);其中dma_request_chan()获取通道，dmaengine_slave_config()配置方向、地址宽度和突发长度，dmaengine_prep_slave_sg()把散列表转换成硬件描述符，dma_async_issue_pending()真正启动传输。DMA引擎的价值在于：同一套API可以驱动不同SoC的DMA控制器，驱动开发者只需关注通道、描述符和回调，而不必为每颗芯片重写搬运逻辑。
二、DMA映射接口：CPU地址与设备地址的翻译层
CPU访问内存用的是虚拟地址，设备访问内存用的是DMA地址（总线地址）。两者之间需要映射。Linux提供两类映射接口：
- 一致性DMA映射：
dma_alloc_coherent()/dma_free_coherent()，分配一块CPU和设备都能直接访问、且缓存属性一致的内存。 - 流式DMA映射：
dma_map_single()、dma_map_page()、dma_map_sg()，把已经存在的内存临时映射给设备，传输结束后用dma_unmap_*()解除。
映射接口还负责处理IOMMU、SWIOTLB和缓存一致性。在无IOMMU的平台上，DMA地址通常等于物理地址；在启用IOMMU后，DMA地址是IOVA，由IOMMU完成二次翻译。因此，驱动不能假设virt_to_phys()的结果就是设备能用的地址，必须走DMA API。
三、一致性DMA与流式DMA的核心区别
两者的本质差异在于缓存一致性由谁保证以及生命周期如何管理。一致性DMA在分配时就保证CPU和设备看到相同数据，驱动无需手动刷缓存；流式DMA则要求驱动在设备读取前执行dma_sync_single_for_device()，在设备写完后执行dma_sync_single_for_cpu()，否则可能读到旧数据或覆盖设备写入。
| 对比项 | 一致性DMA | 流式DMA |
|---|---|---|
| 典型API | dma_alloc_coherent | dma_map_single / dma_map_sg |
| 缓存一致性 | 硬件或架构保证 | 驱动显式sync |
| 生命周期 | 长期持有，直到free | 单次传输，map/unmap成对 |
| 性能 | 分配慢，访问可能非缓存 | 映射快，可复用已有内存 |
| 适用场景 | 描述符环、控制块、长期共享缓冲 | 网络收包、块设备IO、音频流 |
一句话记忆：一致性DMA是“长期共享、自动一致”，流式DMA是“临时借用、手动同步”。
四、典型场景与选择方法
以网卡收包为例，驱动通常为每个RX描述符分配流式DMA缓冲区：设备把包写入内存后，驱动调用dma_unmap_single()并同步缓存，再把数据交给协议栈。而网卡的描述符环本身是CPU和设备长期共享的控制结构，适合用dma_alloc_coherent()分配。再如音频播放，周期性的PCM缓冲区适合流式DMA，因为每次传输后需要重新映射；而DMA控制器的链表节点则适合一致性DMA。
选择时可按以下顺序判断：
- 这块内存是否长期被CPU和设备同时读写？是则优先一致性DMA。
- 是否只是单次或周期性传输、且内存已存在？是则用流式DMA。
- 是否位于中断上下文或原子上下文？流式DMA的map/unmap通常可原子执行，但一致性DMA分配可能睡眠。
- 平台是否有IOMMU？有则注意DMA地址与物理地址分离，必须使用DMA API。
五、常见误区与复盘
误区1：把kmalloc()返回的虚拟地址直接写入DMA寄存器。正确做法是dma_map_single()后使用返回的DMA地址。
误区2：流式DMA映射后忘记unmap，导致IOMMU映射泄漏或SWIOTLB耗尽。
误区3：在设备写内存后没有调用dma_sync_single_for_cpu()，CPU读到缓存中的旧数据。
误区4：认为一致性DMA一定比流式DMA快。实际上一致性DMA可能使用非缓存内存，CPU访问反而更慢，应只在必要时使用。
下面这张图概括了Linux DMA子系统的整体结构：上层是DMA引擎框架，中间是DMA映射接口，下层分别落到一致性DMA和流式DMA两条路径，最终由设备通过DMA地址访问内存。
掌握这张结构图后，再回头看驱动代码，就能快速定位：dma_request_chan()属于引擎层，dma_map_single()属于映射层，而dma_alloc_coherent()与dma_map_sg()分别对应两条不同的内存路径。只有把“引擎—映射—一致性/流式”三层关系理清，后续的缓存一致性调试和性能优化才有稳固的起点。