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LINUX网络子系统中DMA机制的实现原创

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我们先从计算机组成原理的层面介绍DMA,再简单介绍Linux网络子系统的DMA机制是如何的实现的。

计算机组成原理中的DMA

以往的I/O设备和主存交换信息都要经过CPU的操作。不论是最早的轮询方式,还是我们学过的中断方式。虽然中断方式相比轮询方式已经节省了大量的CPU资源。但是在处理大量的数据时,DMA相比中断方式进一步解放了CPU。

DMA就是Direct Memory Access,意思是I/O设备直接存储器访问,几乎不消耗CPU的资源。在I/O设备和主存传递数据的时候,CPU可以处理其他事。

I/O设备与主存信息传送的控制方式

I/O设备与主存信息传送的控制方式分为程序轮询、中断、DMA、RDMA等。

先用“图1”大体上说明几种控制方式的区别,其中黄线代表程序轮询方式,绿线代表中断方式,红线代表DMA方式,黑线代表RDMA方式,蓝线代表公用的线。可以看出DMA方式与程序轮询方式还有中断方式的区别是传输数据跳过了CPU,直接和主存交流。

“图1”中的“接口”既包括实现某一功能的硬件电路,也包括相应的控制软件,如 “DMA接口” 就是一些实现DMA机制的硬件电路和相应的控制软件。

“DMA接口”有时也叫做“DMA控制器”(DMAC)。

I/O设备与主存信息传送的4种控制方式:程序轮询、中断、DMA、RDMA - LINUX网络子系统中DMA机制的实现 - HeapDump性能社区

上周分享“图1”时,刘老师说在DMA方式下, DMA控制器(即DMA接口)也是需要和CPU交流的,但是图中没有显示DMA控制器与CPU交流信息。但是这张图我是按照哈工大刘宏伟老师的《计算机组成原理》第五章的内容画出的,应该是不会有问题的。查找了相关资料,觉得两个刘老师都没有错,因为这张图强调的是数据的走向,即这里的线仅是数据线。如果要严格一点,把控制线和地址线也画出来,将是“图2”这个样子:

I/O设备与主存信息传送的4种控制方式:程序轮询、中断、DMA、RDMA - LINUX网络子系统中DMA机制的实现 - HeapDump性能社区

这里新增了中断方式的地址线和控制线、DMA方式的地址线和控制线。(“图2”也是自己绘制,其理论依据参考“图3”,这里不对“图3”进行具体分析,因为涉及底层的硬件知识)

“图2”对“图1”的数据线加粗,新增细实线表示地址线,细虚线表示控制线。可以看出在中断方式下,无论是传输数据、地址还是控制信息,都要经过CPU,即都要在CPU的寄存器中暂存一下,都要浪费CPU的资源;但是在DMA方式下,传输数据和地址时,I/O设备可以通过“DMA接口”直接与主存交流,只有传输控制信息时,才需要用到CPU。而传输控制信息占用的时间是极小的,可以忽略不计,所以可以认为DMA方式完全没有占用CPU资源,这等价于I/O设备和CPU可以实现真正的并行工作,这比中断方式下的并行程度要更高很多。

I/O设备和CPU可以实现真正的并行工作 - LINUX网络子系统中DMA机制的实现 - HeapDump性能社区

三种方式的CPU工作效率比较

三种方式的CPU工作效率比较 - LINUX网络子系统中DMA机制的实现 - HeapDump性能社区

在I/O准备阶段,程序轮询方式的CPU一直在查询等待,而中断方式的CPU可以继续执行现行程序,但是当I/O准备就绪,设备向CPU发出中断请求,CPU响应以实现数据的传输,这个过程会占用CPU一段时间,而且这段时间比使用程序轮询方式的CPU传输数据的时间还要长,因为CPU除了传输数据还要做一些准备工作,如把CPU寄存器中的数据都转移到栈中。

但是DMA方式不一样,当I/O准备就绪,设备向CPU发出DMA请求,CPU响应请求,关闭对主存的控制器,只关闭一个或者几个存取周期,在这一小段时间内,主存和设备完成数据交换。而且在这一小段时间内,CPU并不是什么都不能做,虽然CPU不能访问主存,即不能取指令,但是CPU的cache中已经保存了一些指令,CPU可以先执行这些指令,只要这些指令不涉及访存,CPU和设备还是并行执行。数据传输完成后,DMA接口向CPU发出中断请求,让CPU做后续处理。大家可能会奇怪DMA接口为什么也能发出中断请求,其实DMA接口内有一个中断机构,见“图3”,DMA技术其实是建立在中断技术之上的,它包含了中断技术。

总之,在同样的时间内,DMA方式下CPU执行现行程序的时间最长,即CPU的效率最高。

Linux网络子系统中DMA机制的实现

DMA机制在TCP/IP协议模型中的位置

网卡明显是一个数据流量特别大的地方,所以特别需要DMA方式和主存交换数据。

主存的内核空间中为接收和发送数据分别建立了两个环形缓冲区(Ring Buffer)。分别叫接受环形缓冲区(Receive Ring Buffer)和发送环形缓冲区(Send Ring Buffer),通常也叫DMA环形缓冲区。

下图可以看到DMA机制位于TCP/IP协议模型中的位置数据链路层。

网卡通过DMA方式将数据发送到Receive Ring Buffer,然后Receive Ring Buffer把数据包传给IP协议所在的网络层,然后再由路由机制传给TCP协议所在的传输层,最终传给用户进程所在的应用层。下一节在数据链路层上分析具体分析网卡是如何处理数据包的。

DMA机制位于TCP/IP协议模型中的位置数据链路层 - LINUX网络子系统中DMA机制的实现 - HeapDump性能社区

数据链路层上网卡对数据包的处理

DMA 环形缓冲区建立在与处理器共享的内存中。每一个输入数据包被放置在环形缓冲区中下一个可用缓冲区,然后发出中断。接着驱动程序将网络数据包传给内核的其它部分处理,并在环形缓冲区中放置一个新的 DMA 缓冲区。

驱动程序在初始化时分配DMA缓冲区,并使用驱动程序直到停止运行。

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准备工作:

系统启动时网卡(NIC)进行初始化,在内存中腾出空间给 Ring Buffer 。Ring Buffer 队列每个中的每个元素 Packet Descriptor指向一个sk_buff ,状态均为ready。

上图中虚线步骤的解释:

  • DMA 接口将网卡(NIC)接收的数据包(packet)逐个写入 sk_buff ,被写入数据的 sk_buff 变为 used 状态。一个数据包可能占用多个 sk_buff , sk_buff读写顺序遵循先入先出(FIFO)原则。

  • DMA 写完数据之后,网卡(NIC)向网卡中断控制器(NIC Interrupt Handler)触发硬件中断请求。

  • NIC driver 注册 poll 函数。

  • poll 函数对数据进行检查,例如将几个 sk_buff 合并,因为可能同一个数据可能被分散放在多个 sk_buff 中。

  • poll 函数将 sk_buff 交付上层网络栈处理。

后续处理:

poll 函数清理 sk_buff,清理 Ring Buffer 上的 Descriptor 将其指向新分配的 sk_buff 并将状态设置为 ready。

源码分析具体网卡(4.19内核)

Intel的千兆以太网卡e1000使用非常广泛,我虚拟机上的网卡就是它。

Intel的千兆以太网卡e1000 - LINUX网络子系统中DMA机制的实现 - HeapDump性能社区

这里就以该网卡的驱动程序为例,初步分析它是怎么建立DMA机制的。

源码目录及文件:

Intel的千兆以太网卡e1000驱动程序分析建立DMA机制 - LINUX网络子系统中DMA机制的实现 - HeapDump性能社区

内核模块插入函数在e1000_main.c文件中,它是加载驱动程序时调用的第一个函数。

  • /**
  • * e1000_init_module - Driver Registration Routine
  • *
  • * e1000_init_module is the first routine called when the driver is
  • * loaded. All it does is register with the PCI subsystem.
  • **/
  • static int __init e1000_init_module(void)
  • {
  • int ret;
  • pr_info("%s - version %s\n", e1000_driver_string, e1000_driver_version);
  •  
  • pr_info("%s\n", e1000_copyright);
  •  
  • ret = pci_register_driver(&e1000_driver);
  • if (copybreak != COPYBREAK_DEFAULT) {
  • if (copybreak == 0)
  • pr_info("copybreak disabled\n");
  • else
  • pr_info("copybreak enabled for "
  • "packets <= %u bytes\n", copybreak);
  • }
  • return ret;
  • }
  •  
  • module_init(e1000_init_module);
  •  

该函数所做的只是向PCI子系统注册,这样CPU就可以访问网卡了,因为CPU和网卡是通过PCI总线相连的。

具体做法是,在第230行,通过pci_register_driver()函数将e1000_driver这个驱动程序注册到PCI子系统。

e1000_driver是struct pci_driver类型的结构体,

  • static struct pci_driver e1000_driver = {
  • .name = e1000_driver_name,
  • .id_table = e1000_pci_tbl,
  • .probe = e1000_probe,
  • .remove = e1000_remove,
  • #ifdef CONFIG_PM
  • /* Power Management Hooks */
  • .suspend = e1000_suspend,
  • .resume = e1000_resume,
  • #endif
  • .shutdown = e1000_shutdown,
  • .err_handler = &e1000_err_handler
  • };
  •  

e1000_driver```里面初始化了设备的名字为“e1000”,

Intel的千兆以太网卡e1000驱动程序分析建立DMA机制 - LINUX网络子系统中DMA机制的实现 - HeapDump性能社区

还定义了一些操作,如插入新设备、移除设备等,还包括电源管理相关的暂停操作和唤醒操作。下面是struct pci_driver一些主要的域。

Intel的千兆以太网卡e1000驱动程序分析建立DMA机制 - LINUX网络子系统中DMA机制的实现 - HeapDump性能社区

对该驱动程序稍微了解后,先跳过其他部分,直接看DMA相关代码。在e1000_probe函数,即“插入新设备”函数中,下面这段代码先对DMA缓冲区的大小进行检查

如果是64位DMA地址,则把pci_using_dac标记为1,表示可以使用64位硬件,挂起32位的硬件;如果是32位DMA地址,则使用32位硬件;若不是64位也不是32位,则报错“没有可用的DMA配置,中止程序”。

  • /* there is a workaround being applied below that limits
  • * 64-bit DMA addresses to 64-bit hardware. There are some
  • * 32-bit adapters that Tx hang when given 64-bit DMA addresses
  • */
  • pci_using_dac = 0;
  • if ((hw->bus_type == e1000_bus_type_pcix) &&
  • !dma_set_mask_and_coherent(&pdev->dev, DMA_BIT_MASK(64))) {
  • pci_using_dac = 1;
  • } else {
  • err = dma_set_mask_and_coherent(&pdev->dev, DMA_BIT_MASK(32));
  • if (err) {
  • pr_err("No usable DMA config, aborting\n");
  • goto err_dma;
  • }
  • }
  •  

其中的函数dma_set_mask_and_coherent()用于对dma_maskcoherent_dma_mask赋值。

dma_mask表示的是该设备通过DMA方式可寻址的物理地址范围,coherent_dma_mask表示所有设备通过DMA方式可寻址的公共的物理地址范围,

因为不是所有的硬件设备都能够支持64bit的地址宽度。

/include/linux/dma-mapping.h

/*

  • Set both the DMA mask and the coherent DMA mask to the same thing.
  • Note that we don’t check the return value from dma_set_coherent_mask()
  • as the DMA API guarantees that the coherent DMA mask can be set to
  • the same or smaller than the streaming DMA mask.
    */
    static inline int dma_set_mask_and_coherent(struct device *dev, u64 mask)
    {
    int rc = dma_set_mask(dev, mask);
    if (rc == 0)
    dma_set_coherent_mask(dev, mask);
    return rc;
    }
    rc==0表示该设备的dma_mask赋值成功,所以可以接着对coherent_dma_mask赋同样的值。

继续阅读e1000_probe函数,

  • if (pci_using_dac) {
  • netdev->features |= NETIF_F_HIGHDMA;
  • netdev->vlan_features |= NETIF_F_HIGHDMA;
  • }
  •  

如果pci_using_dac标记为1,则当前网络设备的features域(表示当前活动的设备功能)和vlan_features域(表示VLAN设备可继承的功能)都赋值为NETIF_F_HIGHDMANETIF_F_HIGHDMA表示当前设备可以通过DMA通道访问到高地址的内存。

因为前面分析过,pci_using_dac标记为1时,当前设备是64位的。 e1000_probe函数完成了对设备的基本初始化,接下来看如何初始化接收环形缓冲区。

  • /**
  • * e1000_setup_rx_resources - allocate Rx resources (Descriptors)
  • * @adapter: board private structure
  • * @rxdr: rx descriptor ring (for a specific queue) to setup
  • *
  • * Returns 0 on success, negative on failure
  • **/
  • static int e1000_setup_rx_resources(struct e1000_adapter *adapter,
  • struct e1000_rx_ring *rxdr)
  • {
  • '''''''
  •  
  • rxdr->desc = dma_alloc_coherent(&pdev->dev, rxdr->size, &rxdr->dma,
  • GFP_KERNEL);
  •  
  • ''''''
  • memset(rxdr->desc, 0, rxdr->size);
  •  
  • rxdr->next_to_clean = 0;
  • rxdr->next_to_use = 0;
  • rxdr->rx_skb_top = NULL;
  •  
  • return 0;
  • }
  •  

这里dma_alloc_coherent()的作用是申请一块DMA可使用的内存,它的返回值是这块内存的虚拟地址,赋值给rxdr->desc。 其实这个函数还隐式的返回了物理地址,物理地址存在第三个参数中。 指针rxdr指向的是struct e1000_rx_ring这个结构体,该结构体就是接收环形缓冲区。

image.png

若成功申请到DMA内存,则用memset()函数把申请的内存清零,rxdr的其他域也清零。

对于现在的多核CPU,每个CPU都有自己的接收环形缓冲区,e1000_setup_all_rx_resources()中调用e1000_setup_rx_resources(),初始化所有的接收环形缓冲区。

  • int e1000_setup_all_rx_resources(struct e1000_adapter *adapter)
  • {
  • int i, err = 0;
  •  
  • for (i = 0; i < adapter->num_rx_queues; i++) {
  • err = e1000_setup_rx_resources(adapter, &adapter->rx_ring[i]);
  • if (err) {
  • e_err(probe, "Allocation for Rx Queue %u failed\n", i);
  • for (i-- ; i >= 0; i--)
  • e1000_free_rx_resources(adapter,
  • &adapter->rx_ring[i]);
  • break;
  • }
  • }
  •  
  • return err;
  • }
  •  

e1000_setup_all_rx_resources()e1000_open()调用,也就是说只要打开该网络设备,接收和发送环形缓冲区就会建立好。

  • int e1000_open(struct net_device *netdev)
  • {
  • struct e1000_adapter *adapter = netdev_priv(netdev);
  • struct e1000_hw *hw = &adapter->hw;
  • int err;
  •  
  • /* disallow open during test */
  • if (test_bit(__E1000_TESTING, &adapter->flags))
  • return -EBUSY;
  •  
  • netif_carrier_off(netdev);
  •  
  • /* allocate transmit descriptors */
  • err = e1000_setup_all_tx_resources(adapter);
  • if (err)
  • goto err_setup_tx;
  •  
  • /* allocate receive descriptors */
  • err = e1000_setup_all_rx_resources(adapter);
  • if (err)
  • goto err_setup_rx;

 

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