linux内核中CMA内存分配

目录

一、CAM的必要性

二、当应用层申请大的内存时的解决方法

三、CAM使用方法

        1、内核配置：

        2、 配置CMA区域有3种方法

3、设备树源码解析

四、技术原理

1、创建CMA区域

2、把CAM区域释放给页分配器

3、从CMA区域借用页

4、从CMA区域分配内存

5、释放CMA区域的内存

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一、CAM的必要性

系统长时间运行后，可能碎片化，很难找到连续物理页。连续内存分配器CAM使得这种情况下分配大的连续内存块成为可能。

二、当应用层申请大的内存时的解决方法

1、一种解决方案是为设备保留一块大的内存区域：缺点 当设备驱动不使用的实时，内核其他模块也不能使用这块内存；

2、连续内存分配试图解决这个问题，保留一块大的内存区域。当设备驱动不使用的时候，内核其他模块可以使用，要求：只有申请可移动类型的页时可以借用；当设备驱动需要使用的时候，把已经分配的页迁移到其他地方，形成物理连续的大内存块。

三、CAM使用方法

1、内核配置：

• 配置宏CONFIG_CMA,启动连续内存分配器
• 配置宏CONFIG_CMA_AREAS，指定CMA区域的最大数量，默认值是7
• 配置宏CONFIG_DMA_CMA运行设备驱动分配内存的连续内存分配器

    CMA区域分为全局CMA区域和设备私有CMA区域。全局CMA区域是由所有设备共享的，设备私有CMA区域由指定的一个或多个设备驱动使用。

 2、 配置CMA区域有3种方法

• 通过内核参数cma配置全局cma区域大小；

        使用内核参数cma=nn[MG]@[start[MG]][-end[MG]]设置全局CMA区域的大小和物理地址范围

• 通过配置宏配置全局CMA区域的大小；

        CONFIG_CMA_SIZE_SEL_MBYTES表示兆字节；0表示禁用
        CONFIG_CMA_SIZE_SEL_PERCENTAGE 表示指定物理内存容量的百分比，默认使用指定兆字节数的方式；0表示禁用
        以上两种方式都可以使用内存传递参数启用CMA

• 通过设备树源文件/reserved-memory配置CMA区域

        如果子节点的属性“compatible”的值是shared-dma-pool 表示全局CMA区域，否则表示设备私有CMA区域

3、设备树源码解析

reserved-memory {
	#address-cells= <1>;
	#size-cells= <1>;
	ranges ;
		linux , cma {
		    compatible= " shared-dma-pool" ;
		    reusable;
		    size= <Ox4000000>;
		    alignment= <Ox2000>;
		    linux , cma-defaul 七；
		} ;
		display_reserved: framebuffer@78000000 {
		    reg= <Ox78000000 Ox800000>;
		) ;
		multimedia reserved : multimedia@77000000
		    compatible= "acme, multimedia-memory" ;
		    reg= <Ox77000000 Ox4000000>;
		} ;
) ; 

分配三个cma区域，

• 节点名称linux,cma 大小64MB，
• 帧缓冲设备专用CMA framebuffer 大小8M
• 多媒体专用CMA区域，节点multimedia-memory 大小64M 

四、技术原理

连续内存分配器是DMA映射框架的辅助框架，设备驱动程序不能直接使用连续分配器；

• 连续内存分配器是在页分配器的基础上实现的，提供接口cma_alloc用来从CMA区域分配页，cma_release用来释放CMA区域分配的页
• 在连续内存分配器的基础上实现了DMA映射框架专用的连续内存分配器，简称DMA专用连续内存分配器。

            dma_alloc_from_contiguous 用来从CMA分配
            dma_release_from_contiguous 释放

• dma映射框架从DMA专用连续内存分配器分配或释放，为设备驱动程序提供的接口

            dma_alloc_coherent  ,dma_alloc_noncoherent 用来分配内存
            dma_free_conerent ,dma_free_nocoherent用来释放内存

• 设备驱动程序调用DMA映射框架提供的函数来分配或释放。 

 可配置多个CMA区域，内核定义一个数组来管理CMA区域

struct cma cma_areas[MAX_CMA_AREAS];
unsigned cma_area_count；
 

页分配器为CMA区域的物理页定义了迁移类型MIGRATE_CMA

1、创建CMA区域

内存管理子系统初始化，解析设备树二进制文件得到物理内存布局，使用memblock保存布局信息。
        memblock的memory保存物理块的物理地址范围，
        reserved类型保存预留内存块的物理地址范围
        CMA区域属于保留内存块

通过设备树配置CMA区域，解析如下：
setup_arch->arm64_memblock_init
            early_init_fdt_scan_reaseved_mem     

2、把CAM区域释放给页分配器

memblock是内核初始化的时候使用的内存分配器，内核初始化完成后使用伙伴分配器管理物理页。内核初始化后，把空闲的内存释放给伙伴分配器，不会把保留的内存释放给伙伴分配器。CMA是保留内存。但需要把CMA区域的物理页交给伙伴分配器管理。

3、从CMA区域借用页

当设备驱动程序不使用CMA区域的时候，内核的其他模块可以借用CMA区域的物理页，页分配器只允许可移动类型从CMA类型
借用物理页。
1）从迁移类型分配页
2）如果分配失败，从备用类型借用物理页
    如果指定迁移类型是可移动类型，首先从CMA类型借用物理页
    从备用类型列表中的每个迁移类型借用物理页

4、从CMA区域分配内存

当设备驱动程序需要使用CMA区域的时候，如果CMA区域的物理页已经被页分配器分配出去，需要把物理页迁移到其他地方。

• 1）在CMA区域的位图中查找一个足够大的空闲页块
• 2）在位图中把物理页的分配状态设置为已分配
• 3）调用函数alloc_contig_range把页分配出去的物理页迁移到其他地方；
• 4）如果迁移失败，回到1），找下一个足够大的空闲页块尝试分配，知道分配成功或者尝试完所有的空闲页块；

5、释放CMA区域的内存

• 1)  检测物理页是否是CMA区域；
• 2）把物理页释放给页分配器；
• 3）在CMA位图中把物理页状态标记为空闲；

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 学习链接：

kernel学习链接

 参考

https://course.0voice.com/v1/course/intro?courseId=2&agentId=0