dma_buf学习记录之二核心接口

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本章学习linux\include\linux\dma-buf.h

   dma-buf.h 是 Linux 内核中用于实现 DMA 缓冲区共享框架的核心头文件。它定义了 dma-buf 子系统的主要数据结构和操作接口，允许设备驱动程序之间共享缓冲区，并支持异步硬件访问的同步。通过 dma-buf，Linux 内核能够有效地管理跨设备驱动程序的缓冲区共享，同时确保访问的安全性和一致性。

一、主要数据结构

1. **`struct dma_buf_ops`**

/*** struct dma_buf_ops - 在 struct dma_buf 上可执行的操作* @vmap: [可选] 将缓冲区映射到内核地址空间，创建虚拟映射。*         与 vmap 和相关函数相同的限制适用。* @vunmap: [可选] 解除缓冲区的虚拟映射。*/
struct dma_buf_ops {/*** 如果为 true，则框架将缓存每个附件的第一个映射。这可以避免多次为同一附件创建映射。*/bool cache_sgt_mapping;/*** 此回调由 dma_buf_attach() 调用，确保给定的 &dma_buf_attachment.dev 可以访问提供的 &dma_buf。* 支持特殊位置（如 VRAM 或设备特定的 carveout 区域）缓冲区对象的导出者应检查缓冲区是否可以移动到系统内存（或被提供的设备直接访问），否则需要失败 attach 操作。* 导出者通常还应检查当前分配是否满足新设备的 DMA 约束。如果不满足，并且分配无法移动，则也应失败 attach 操作。* 导出者的私有数据可以存储在 &dma_buf_attachment.priv 指针中。* 此回调是可选的。* 返回值：* 成功返回 0，失败返回负错误码。如果返回 -EBUSY，则表示后端存储已分配且与请求设备的要求不兼容。*/int (*attach)(struct dma_buf *, struct dma_buf_attachment *);/*** 此回调由 dma_buf_detach() 调用，释放 &dma_buf_attachment。* 提供此回调以便导出者清理与 &dma_buf_attachment 相关的任何私有数据。* 此回调是可选的。*/void (*detach)(struct dma_buf *, struct dma_buf_attachment *);/*** 此回调由 dma_buf_pin() 调用，通知导出者 DMA 缓冲区不能再移动。理想情况下，导出者应固定缓冲区，使其对所有设备都可访问。* 此回调在 dmabuf.resv 对象锁定时调用，并与 @cache_sgt_mapping 互斥。* 对于非动态导入者，此回调会在 dma_buf_attach() 中自动调用。* 注意：类似于非动态导出者在其 @map_dma_buf 回调中的行为，驱动程序必须保证在此函数返回时内存可用并清除旧数据。内部流水线化缓冲区移动的驱动程序必须等待所有移动和清除完成。* 返回值：* 成功返回 0，失败返回负错误码。*/int (*pin)(struct dma_buf_attachment *attach);/*** 此回调由 dma_buf_unpin() 调用，通知导出者 DMA 缓冲区可以再次移动。* 此回调在 dmabuf->resv 对象锁定时调用，并与 @cache_sgt_mapping 互斥。* 此回调是可选的。*/void (*unpin)(struct dma_buf_attachment *attach);/*** 此回调由 dma_buf_map_attachment() 调用，用于将共享的 &dma_buf 映射到设备地址空间，是强制性的。只有在 @attach 成功调用后才能调用此函数。* 此调用可能会休眠，例如当后端存储首次需要分配，或需要移动到适合当前所有附加设备的位置时。* 注意：此函数所需的任何特定缓冲区属性应添加到通过 &device.dma_params 访问的 device_dma_parameters 中。@attach 回调也应检查这些约束。* 如果这是第一次调用，导出者可以选择扫描此缓冲区的所有附件，收集附加设备的要求，并选择合适的后端存储。* 根据枚举 dma_data_direction，可能允许多个用户同时访问（例如读取），或导出者希望提供给缓冲区用户的任何其他类型的共享。* 当 dynamic_mapping 标志为 true 时，此回调始终在 dmabuf->resv 对象锁定时调用。* 注意：对于非动态导出者，驱动程序必须保证在此函数返回时内存可用并清除旧数据。内部流水线化缓冲区移动的驱动程序必须等待所有移动和清除完成。动态导出者不需要遵循此规则：对于非动态导入者，缓冲区已经通过 @pin 固定，具有相同的要求。动态导入者则需要遵守 dma_resv 围栏。* 返回值：* 成功返回指向 DMA 缓冲区后端存储的 &sg_table 散列表，该散列表已映射到使用提供的 &dma_buf_attachment 附加的设备地址空间。散列表中的地址和长度以 PAGE_SIZE 对齐。* 失败时返回一个包含负错误值的指针。当信号到达时也可能返回 -EINTR。* 注意：导出者不应尝试缓存散列表，或为多次调用返回相同的散列表。缓存由 DMA-BUF 代码（针对非动态导入者）或导入者完成。散列表的所有权转移给调用者，并通过 @unmap_dma_buf 返回。*/struct sg_table * (*map_dma_buf)(struct dma_buf_attachment *,enum dma_data_direction);/*** 此回调由 dma_buf_unmap_attachment() 调用，用于解除并释放 @map_dma_buf 分配的 &sg_table，是强制性的。对于静态 dma_buf 处理，如果这是 DMA 缓冲区的最后一个映射，也可能解除固定后端存储。*/void (*unmap_dma_buf)(struct dma_buf_attachment *,struct sg_table *,enum dma_data_direction);/* TODO: Add try_map_dma_buf version, to return immed with -EBUSY* if the call would block.*//*** 在最后一次 dma_buf_put 调用后调用，释放 &dma_buf，是强制性的。*/void (*release)(struct dma_buf *);/*** 此回调由 dma_buf_begin_cpu_access() 调用，允许导出者确保内存实际对 CPU 访问是连贯的。导出者还应确保 CPU 访问对访问方向是连贯的。方向可用于优化缓存刷新，例如以不同的方向（读取而不是写入）访问可能会返回陈旧甚至错误的数据（例如当导出者需要将数据复制到临时存储时）。* 注意：此回调既通过 DMA_BUF_IOCTL_SYNC IOCTL 命令为通过 @mmap 建立的用户空间映射调用，也通过 @vmap 为内核映射调用。* 此回调是可选的。* 返回值：* 成功返回 0，失败返回负错误码。例如，当后端存储无法分配时可能会失败。当调用被中断并需要重新启动时，也可以返回 -ERESTARTSYS 或 -EINTR。*/int (*begin_cpu_access)(struct dma_buf *, enum dma_data_direction);/*** 此回调由 dma_buf_end_cpu_access() 调用，当导入者完成对 CPU 的访问时调用。导出者可以使用此回调刷新缓存并撤销在 @begin_cpu_access 中所做的任何操作。* 此回调是可选的。* 返回值：* 成功返回 0，失败返回负错误码。当调用被中断并需要重新启动时，可以返回 -ERESTARTSYS 或 -EINTR。*/int (*end_cpu_access)(struct dma_buf *, enum dma_data_direction);/*** 此回调由 dma_buf_mmap() 函数使用。* 注意：映射需要是非连贯的，用户空间预计会使用 DMA_BUF_IOCTL_SYNC 接口来括号化 CPU 访问。* 由于 dma-buf 缓冲区在其生命周期内的大小不变，dma-buf 核心会检查 vma 是否过大并拒绝此类映射。因此导出者无需重复此检查。驱动程序也不需要自己进行检查。* 如果导出者需要手动刷新缓存并伪造 mmap 支持的连贯性，则需要能够清除指向后端存储的所有 pte。Linux 内存管理需要与存储在 vma->vm_file 中的 struct file 关联的 struct address_space 来通过 unmap_mapping_range 函数完成此操作。但 dma_buf 框架只为每个 dma_buf fd 使用匿名文件 struct file，即所有 dma_buf 共享同一个文件。* 因此，导出者需要通过设置 vma->vm_file 并调整 vma->vm_pgoff 来在 dma_buf mmap 回调中建立自己的文件（和 address_space）关联。在 gem 驱动程序的具体情况下，导出者可以使用 gem 已提供的 shmem 文件（并设置 vm_pgoff = 0）。然后导出者可以通过取消映射与其文件关联的 struct address_space 的相应范围来清除 pte。* 此回调是可选的。* 返回值：* 成功返回 0，失败返回负错误码。*/int (*mmap)(struct dma_buf *, struct vm_area_struct *vma);int (*vmap)(struct dma_buf *dmabuf, struct iosys_map *map);void (*vunmap)(struct dma_buf *dmabuf, struct iosys_map *map);
};

   - 定义了对 `struct dma_buf` 可执行的操作。
   - 包含以下成员：
     - `cache_sgt_mapping`：是否缓存 scatterlist 映射。
     - `attach` 和 `detach`：管理缓冲区附件的回调函数。
     - `pin` 和 `unpin`：固定和释放缓冲区的回调函数。
     - `map_dma_buf` 和 `unmap_dma_buf`：映射和取消映射 DMA 缓冲区的回调函数。
     - `release`：释放 DMA 缓冲区的回调函数。
     - `begin_cpu_access` 和 `end_cpu_access`：开始和结束 CPU 访问的回调函数。
     - `mmap`、`vmap` 和 `vunmap`：内存映射和虚拟映射的回调函数。

2. **`struct dma_buf`**

/*** struct dma_buf - 共享缓冲区对象* 此结构表示通过调用 dma_buf_export() 创建的共享缓冲区。用户空间表示是一个普通的文件描述符，可以通过调用 dma_buf_fd() 创建。* 共享的 dma 缓冲区通过 dma_buf_put() 和 get_dma_buf() 进行引用计数。* 设备 DMA 访问由单独的 &struct dma_buf_attachment 处理。*/
struct dma_buf {/*** 缓冲区的大小；在缓冲区生命周期内不变。*/size_t size;/*** 用于跨进程共享缓冲区的文件指针，并用于引用计数。参见 dma_buf_get() 和 dma_buf_put()。*/struct file *file;/*** 表示所有已附加设备的 dma_buf_attachment 列表，受 &dma_resv 锁 @resv 保护。*/struct list_head attachments;/** 与此缓冲区对象关联的 dma_buf_ops。*/const struct dma_buf_ops *ops;/*** 用于引用计数由 dma_buf_vmap() 返回的 vmaps。受 @lock 保护。*/unsigned vmapping_counter;/*** 如果 @vmapping_counter > 0，则为当前的 vmap 指针。受 @lock 保护。*/struct iosys_map vmap_ptr;/*** 导出者的名称；对调试有用。不能为空。*/const char *exp_name;/*** 用户空间提供的名称。默认值为 NULL。如果非空，则长度不能超过 DMA_BUF_NAME_LEN，包括 NIL 字符。对会计和调试有用。读/写访问受 @name_lock 保护。* 参见 IOCTLs DMA_BUF_SET_NAME 或 DMA_BUF_SET_NAME_A/B。*/const char *name;/** 自旋锁，用于保护 name 字段的访问 */spinlock_t name_lock;/*** 指向导出模块的指针；用于内核模块的引用计数。*/struct module *owner;#if IS_ENABLED(CONFIG_DEBUG_FS)/** 用于 dma_buf 的会计和调试的节点 */struct list_head list_node;
#endif/** 供导出者为此缓冲区对象存储特定的私有数据 */void *priv;/*** 链接到此 dma-buf 的预留对象。* 隐式同步规则：* 支持隐式缓冲区访问同步的驱动程序（例如在 `Implicit Fence Poll Support`_ 中暴露的）必须遵循以下规则：* - 驱动程序必须通过 dma_resv_add_fence() 添加读围栏，并使用 DMA_RESV_USAGE_READ 标志，对于用户空间 API 认为是读访问的任何内容。这高度依赖于 API 和窗口系统。* - 同样，驱动程序必须通过 dma_resv_add_fence() 添加写围栏，并使用 DMA_RESV_USAGE_WRITE 标志，对于用户空间 API 认为是写访问的任何内容。* - 驱动程序也可以总是添加写围栏，因为这只会导致不必要的同步，但不会引起正确性问题。* - 某些驱动程序仅暴露同步的用户空间 API，没有跨驱动程序的流水线。这些驱动程序不会为其访问设置任何围栏。例如 v4l。* - 驱动程序应在检索围栏作为隐式同步的依赖项时使用 dma_resv_usage_rw()。* 动态导入者规则：* 动态导入者（参见 dma_buf_attachment_is_dynamic()）在设置围栏时有额外的约束：* - 动态导入者必须遵守写围栏，并在允许通过设备访问缓冲区的底层存储之前等待它们完成。* - 动态导入者应为任何无法立即从其 &dma_buf_attach_ops.move_notify 回调中禁用的访问设置围栏。* 重要：* 所有驱动程序和与内存管理相关的函数必须遵守 struct dma_resv 规则，特别是更新和遵守围栏的规则。参见 enum dma_resv_usage 获取进一步描述。*/struct dma_resv *resv;/** @poll: for userspace poll support */wait_queue_head_t poll;/** @cb_in: for userspace poll support *//** @cb_out: for userspace poll support */struct dma_buf_poll_cb_t {struct dma_fence_cb cb;wait_queue_head_t *poll;__poll_t active;} cb_in, cb_out;
#ifdef CONFIG_DMABUF_SYSFS_STATS/*** @sysfs_entry:** For exposing information about this buffer in sysfs. See also* `DMA-BUF statistics`_ for the uapi this enables.*/struct dma_buf_sysfs_entry {struct kobject kobj;struct dma_buf *dmabuf;} *sysfs_entry;
#endif
};

   - 表示一个共享缓冲区对象。
   - 包含以下成员：
     - `size`：缓冲区的大小，生命周期内不变。
     - `file`：用于跨进程共享和引用计数的文件指针。
     - `attachments`：所有附加设备的列表。
     - `ops`：与该缓冲区对象关联的 `dma_buf_ops`。
     - `vmapping_counter` 和 `vmap_ptr`：用于内部 vmap 引用计数和当前 vmap 指针。
     - `exp_name` 和 `name`：导出者名称和用户空间提供的名称。
     - `owner`：导出者模块指针。
     - `resv`：与此 DMA 缓冲区链接的保留对象。
     - `poll` 和 `cb_in`、`cb_out`：用于用户空间轮询支持。
     - `sysfs_entry`：用于在 sysfs 中暴露此缓冲区的信息。

3. **`struct dma_buf_attach_ops`**
   - 定义了导入者为附件实现的操作。
   - 包含以下成员：
     - `allow_peer2peer`：导入者是否可以处理没有页面的对等资源。
     - `move_notify`：通知 DMA 缓冲区正在移动的回调函数。

4. **`struct dma_buf_attachment`**
   - 保存设备-缓冲区附件的数据。此结构保存 dma_buf 缓冲区与其用户设备之间的连接信息。列表中包含一个每设备附加到缓冲区的 attachment 结构。连接通过调用 dma_buf_attach() 创建，并通过调用 dma_buf_detach() 再次释放。DMA 映射本身（用于发起传输）通过调用 dma_buf_map_attachment() 创建，并通过调用 dma_buf_unmap_attachment() 再次释放。
   - 包含以下成员：
     - `dmabuf`：此附件的缓冲区。
     - `dev`：附加到缓冲区的设备。
     - `node`：DMA 缓冲区附件的列表。
     - `sgt` 和 `dir`：缓存的映射和方向。
     - `peer2peer`：导入者是否可以处理没有页面的对等资源。
     - `importer_ops` 和 `importer_priv`：导入者的操作和私有数据。
     - `priv`：导出者的私有附件数据。

5. **`struct dma_buf_export_info`**
   - 保存导出 DMA 缓冲区所需的信息。此结构持有导出缓冲区所需的信息。仅与 dma_buf_export() 一起使用。
   - 包含以下成员：
     - `exp_name`：导出者名称。
     - `owner`：导出者模块指针。
     - `ops`：与新缓冲区关联的 `dma_buf_ops`。
     - `size`：缓冲区的大小。
     - `flags`：文件模式标志。
     - `resv`：保留对象。
     - `priv`：导出者的私有数据。

6. **宏定义**
   - `DEFINE_DMA_BUF_EXPORT_INFO`：定义并初始化 `dma_buf_export_info` 结构体。

7. **内联函数**
   - `get_dma_buf`：增加 DMA 缓冲区的引用计数。
   - `dma_buf_is_dynamic` 和 `dma_buf_attachment_is_dynamic`：检查 DMA 缓冲区和附件是否使用动态映射。

二、 主要函数

   - `dma_buf_attach` 和 `dma_buf_detach`：附加和分离 DMA 缓冲区。
   - `dma_buf_pin` 和 `dma_buf_unpin`：固定和释放 DMA 缓冲区附件。
   - `dma_buf_export`：导出 DMA 缓冲区。
   - `dma_buf_fd` 和 `dma_buf_get`：获取 DMA 缓冲区的文件描述符和从文件描述符获取 DMA 缓冲区。
   - `dma_buf_map_attachment` 和 `dma_buf_unmap_attachment`：映射和取消映射 DMA 缓冲区附件。
   - `dma_buf_move_notify`：通知 DMA 缓冲区正在移动。
   - `dma_buf_begin_cpu_access` 和 `dma_buf_end_cpu_access`：开始和结束 CPU 访问。
   - `dma_buf_mmap`、`dma_buf_vmap` 和 `dma_buf_vunmap`：内存映射和虚拟映射函数。

要实现一个 dma-buf exporter驱动，需要关注3个重点：

• dma_buf_ops
• DEFINE_DMA_BUF_EXPORT_INFO
• dma_buf_export()

注意： 其中 dma_buf_ops 的回调接口中，如下接口又是必须要实现的，缺少任何一个都将导致 dma_buf_export() 函数调用失败！

• map_dma_buf
• unmap_dma_buf
• mmap
• release
• map(4.19后废除)
• unmap(4.19后废除)
• map_atomic(4.12后废除)
• unmap_atomic(4.12后废除)