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宋寶華:Linux內核的連續記憶體分配器(CMA)——避免預留大塊記憶體

在我們使用ARM等嵌入式Linux系統的時候,一個頭疼的問題是GPU,Camera,HDMI等都需要預留大量連續記憶體,這部分記憶體平時不用, 但是一般的做法又必須先預留著。目前,Marek Szyprowski和Michal Nazarewicz實現了一套全新的Contiguous   Memory   Allocator。通過這套機制,我們可以做到不預留記憶體,這些記憶體平時是可用的,只有當需要的時候才被分配給Camera,HDMI等設備。下麵分析 它的基本代碼流程。

宣告連續記憶體

內核啟動過程中arch/arm/mm/init.c中的arm_memblock_init()會呼叫dma_contiguous_reserve(min(arm_dma_limit, arm_lowmem_limit));

該函式位於:drivers/base/dma-contiguous.c

其中的size_bytes定義為:

static const unsigned long size_bytes = CMA_SIZE_MBYTES * SZ_1M; 預設情況下,CMA_SIZE_MBYTES會被定義為16MB,來源於CONFIG_CMA_SIZE_MBYTES=16->

由此可見,連續記憶體區域也是在內核啟動的早期,通過__memblock_alloc_base()拿到的。

另外:

drivers/base/dma-contiguous.c裡面的core_initcall()會導致cma_init_reserved_areas()被呼叫:

cma_create_area()會呼叫cma_activate_area(),cma_activate_area()函式則會針對每個page呼叫:

init_cma_reserved_pageblock(pfn_to_page(base_pfn));

這個函式則會通過set_pageblock_migratetype(page, MIGRATE_CMA)將頁設置為MIGRATE_CMA型別的:

同時其中呼叫的__free_pages(page, pageblock_order);最終會呼叫到__free_one_page(page, zone, order, migratetype);
相關的page會被加到MIGRATE_CMA的free_list上面去:

list_add(&page-;>lru, &zone-;>free_area[order].free_list[migratetype]);

申請連續記憶體

申請連續記憶體仍然使用標準的arch/arm/mm/dma-mapping.c中定義的dma_alloc_coherent()和dma_alloc_writecombine(),這二者會間接呼叫drivers/base/dma-contiguous.c中的

->

->

int alloc_contig_range(unsigned long start, unsigned long end,

                       unsigned migratetype)

需要隔離page,隔離page的作用通過代碼的註釋可以體現:

簡單地說,就是把相關的page標記為MIGRATE_ISOLATE,這樣buddy系統就不會再使用他們。

接下來呼叫__alloc_contig_migrate_range()進行頁面隔離和遷移:

其中的函式migrate_pages()會完成頁面的遷移,遷移過程中通過傳入的__alloc_contig_migrate_alloc()申請新的page,並將老的page付給新的page:

其中的unmap_and_move()函式較為關鍵,它定義在mm/migrate.c中

通過unmap_and_move(),老的page就被遷移過去新的page。

接下來要回收page,回收page的作用是,不至於因為拿了連續的記憶體後,系統變得記憶體饑餓:

->

->

釋放連續記憶體

記憶體釋放的時候也比較簡單,直接就是:

arch/arm/mm/dma-mapping.c:

將page交還給buddy。

內核記憶體分配的migratetype

內核記憶體分配的時候,帶的標誌是GFP_,但是GFP_可以轉化為migratetype:

之後申請記憶體的時候,會對比遷移型別匹配的free_list:

另外,筆者也編寫了一個測試程式,透過它隨時測試CMA的功能:


/* 

 * kernel module helper for testing CMA 

 * 

 * Licensed under GPLv2 or later. 

 */  

  

#include   

#include   

#include   

#include   

#include   

  

#define CMA_NUM  10  

static struct device *cma_dev;  

static dma_addr_t dma_phys[CMA_NUM];  

static void *dma_virt[CMA_NUM];  

  

/* any read request will free coherent memory, eg. 

 * cat /dev/cma_test 

 */  

static ssize_t  

cma_test_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)  

{  

    int i;  

  

    for (i = 0; i < CMA_NUM; i++) {  

        if (dma_virt[i]) {  

            dma_free_coherent(cma_dev, (i + 1) * SZ_1M, dma_virt[i], dma_phys[i]);  

            _dev_info(cma_dev, “free virt: %p phys: %p\n”, dma_virt[i], (void *)dma_phys[i]);  

            dma_virt[i] = NULL;  

            break;  

        }  

    }  

    return 0;  

}  

  

/* 

 * any write request will alloc coherent memory, eg. 

 * echo 0 > /dev/cma_test 

 */  

static ssize_t  

cma_test_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)  

{  

    int i;  

    int ret;  

  

    for (i = 0; i < CMA_NUM; i++) {  

        if (!dma_virt[i]) {  

            dma_virt[i] = dma_alloc_coherent(cma_dev, (i + 1) * SZ_1M, &dma;_phys[i], GFP_KERNEL);  

  

            if (dma_virt[i]) {  

                void *p;  

                /* touch every page in the allocated memory */  

                for (p = dma_virt[i]; p

                    *(u32 *)p = 0;  

  

                _dev_info(cma_dev, “alloc virt: %p phys: %p\n”, dma_virt[i], (void *)dma_phys[i]);  

            } else {  

                dev_err(cma_dev, “no mem in CMA area\n”);  

                ret = -ENOMEM;  

            }  

            break;  

        }  

    }  

  

    return count;  

}  

  

static const struct file_operations cma_test_fops = {  

    .owner =    THIS_MODULE,  

    .read  =    cma_test_read,  

    .write =    cma_test_write,  

};  

  

static struct miscdevice cma_test_misc = {  

    .name = “cma_test”,  

    .fops = &cma;_test_fops,  

};  

  

static int __init cma_test_init(void)  

{  

    int ret = 0;  

  

    ret = misc_register(&cma;_test_misc);  

    if (unlikely(ret)) {  

        pr_err(“failed to register cma test misc device!\n”);  

        return ret;  

    }  

    cma_dev = cma_test_misc.this_device;  

    cma_dev->coherent_dma_mask = ~0;  

    _dev_info(cma_dev, “registered.\n”);  

  

    return ret;  

}  

module_init(cma_test_init);  

  

static void __exit cma_test_exit(void)  

{  

    misc_deregister(&cma;_test_misc);  

}  

module_exit(cma_test_exit);  

  

MODULE_LICENSE(“GPL”);  

MODULE_AUTHOR(“Barry Song <[email protected]>“);  

MODULE_DESCRIPTION(“kernel module to help the test of CMA”);  

MODULE_ALIAS(“CMA test”);  


申請記憶體:

# echo 0 > /dev/cma_test  

釋放記憶體:

# cat /dev/cma_test  


參考鏈接:

[1] http://www.spinics.net/lists/arm-kernel/msg160854.html

[2] http://www.spinics.net/lists/arm-kernel/msg162063.html

[3] http://lwn.net/Articles/447405/

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