3. DMA 基础回顾：DMA 控制器工作原理、传输模式与地址映射

在深入缓存一致性协议之前，必须扎实掌握 DMA 控制器的底层行为。DMA（Direct Memory Access）允许外设与内存直接交换数据，无需 CPU 逐字节搬运，从而大幅提升系统吞吐量。然而，DMA 的“旁路”特性也正是缓存一致性问题的根源——DMA 直接读写物理内存，而 CPU 可能还在 Cache 中持有旧副本。

3.1 DMA 控制器工作原理

DMA 控制器本质上是一个专用的总线主控引擎。它从 CPU 接管总线控制权，在源地址与目的地址之间搬运数据，搬运完成后通过中断通知 CPU。典型的工作流程包含以下步骤：

1. CPU 配置 DMA 寄存器：设置源地址、目的地址、传输长度、传输模式、触发源等参数。
2. CPU 启动 DMA：写 DMA 使能位或触发软件请求。
3. DMA 请求总线：DMA 控制器向总线仲裁器发出总线请求（Bus Request）。
4. 总线授权：仲裁器在 CPU 空闲或总线空闲时授予总线控制权。
5. DMA 执行传输：按配置的传输模式（Burst/Single）在源与目的之间搬运数据。
6. 传输完成：DMA 释放总线，向 CPU 发送中断信号。

3.2 传输模式：Burst 与 Single

DMA 传输模式直接决定总线占用时长和传输效率。两种模式的核心差异在于：一次总线仲裁后连续传输的数据量。

3.3 地址映射：DMA 眼中的内存世界

DMA 控制器直接操作物理地址空间，不经过 MMU 的虚拟地址转换。这意味着：

• DMA 地址 = 物理地址：配置 DMA 时填入的地址必须是物理地址（PA），而非 CPU 看到的虚拟地址（VA）。
• 连续物理内存：DMA 要求传输缓冲区在物理地址上连续。如果使用不连续的物理页，需要借助 SG（Scatter-Gather）链表。
• IOMMU/SMMU 介入：在虚拟化或安全系统中，IOMMU 可以为 DMA 提供设备虚拟地址（DVA）到物理地址的映射，但底层仍然是物理地址访问。

3.4 地址映射实战：Scatter-Gather 与一致性

当 DMA 缓冲区需要跨越多个不连续的物理页时，必须使用 Scatter-Gather（SG）链表。SG 链表由多个描述符组成，每个描述符包含一个物理地址段和长度。DMA 控制器自动遍历链表，完成整块数据的搬运。

/* 伪代码：DMA SG 描述符初始化与 Cache 同步 */
struct sg_descriptor {
    uint32_t phys_addr;  /* 物理地址 */
    uint32_t length;     /* 传输长度 */
    uint32_t flags;      /* 控制标志 */
    uint32_t next;       /* 下一个描述符指针 */
};

void dma_prepare_sg(struct sg_descriptor *sg_list, int num_entries) {
    for (int i = 0; i < num_entries; i++) {
        /* 1. 对每个物理页执行 Cache 刷新（写方向）或失效（读方向） */
        cache_flush_invalidate_page(sg_list[i].phys_addr, sg_list[i].length);
        
        /* 2. 确保描述符本身也在一致性内存中 */
        dma_sync_single_for_device(sg_list[i].phys_addr, sg_list[i].length, DMA_TO_DEVICE);
    }
    /* 3. 写 DMA 寄存器，启动传输 */
    dma_start(sg_list);
}