Cache和DMA一致性
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发布时间：2024-10-23 15:55
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时间：2024-11-07 05:43
Direct Memory Access (DMA) 技术允许硬件设备直接从内存中读取或写入数据，而无需 CPU 干预，从而提升系统性能。然而，DMA 和缓存之间存在着密切关系，特别是在数据不一致问题上。当 CPU 修改了部分数据仍保留在缓存中（采用写回机制）时，DMA 从内存获取数据可能获取到旧数据，导致程序运行异常。为了解决这一问题，缓存控制器需监视 DMA 的总线操作，以确保获取的数据来自缓存而非主存。不过，是否进行总线监视取决于硬件设计。总线监视技术允许缓存控制器监控内存访问，检查缓存命中情况，从而避免数据不一致。
为解决这一问题，操作系统容易采用支持物理地址查找的 PIPT 缓存实现总线监视技术。VIVT 缓存虽可根据虚拟地址查找，但不支持总线监视。VIPT 缓存在无别名情况下可以实现总线监视，但在存在别名时则不行。尽管总线监视技术透明地应用于软件，无需软件干涉，但并非所有硬件都支持此技术。在不支持总线监视的情况下，如何避免不一致问题成为关键。
为解决 DMA 相关问题，一种简便方法是在内存中为 DMA 操作申请一段没有缓存映射的缓冲区。将此缓冲区映射为 nocache 状态，可以避免缓存的影响。然而，此方法会导致性能损失，特别是当 DMA 操作不频繁或数据传输量较小时。在 Linux 系统中，dma_alloc_coherent() 接口采用此方法来分配 DMA 缓冲区。
为充分利用缓存带来的性能提升，可以采用缓存映射的 DMA 缓冲区。但需注意，根据 DMA 传输方向的不同，采取不同策略以维护缓存一致性。在 DMA 传输期间，CPU 不应访问 DMA 缓冲区，以避免缓存命中导致数据不一致。在 Linux 中，dma_map_single() 接口通过流式 DMA 实现了这一策略。
为了防止 DMA 缓冲区与其他数据共享缓存行，应确保 DMA 缓冲区首地址和大小均与缓存行对齐。如果 DMA 缓冲区不满足这一要求，可能导致数据不一致问题。在 Linux 中，分配 DMA 缓冲区时应避免使用栈和全局变量，以确保内存对齐。为此，使用 kmalloc 分配 DMA 缓冲区，并要求某些不支持总线监视的架构保证 kmalloc 分配的内存对齐。Linux 通过宏确保 kmalloc 分配的最小对象大小，从而满足对齐要求。
