CN115357385A - Linux用户态下DMA连续物理内存的申请方法、装置及存储介质 - Google Patents

Linux用户态下DMA连续物理内存的申请方法、装置及存储介质 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种Linux用户态下DMA连续物理内存的申请方法，所述方法包括如下步骤：S1、创建字符设备文件节点；所述字符设备文件节点用于作为系统资源访问的媒介；S2、基于所述字符设备文件节点，向系统申请一段连续内存空间，并将该段连续内存空间转换为连续物理内存地址；S3、定义访问步骤S2中连续物理内存地址的接口。本申请在系统为Linux的应用场景下，使用者在用户态下编程，针对系统平台特点，根据内存申请要求，结合内核底层操作库和内存映射技术，设计实现了一种Linux用户态下的DMA连续物理内存申请方法；本发明解决了Linux用户态下编程时无法直接申请DMA连续物理内存的问题。

Description

Linux用户态下DMA连续物理内存的申请方法、装置及存储 介质
技术领域
本申请涉及DMA连续物理内存申请技术领域，尤其涉及一种Linux用户态下DMA连续物理内存的申请方法、装置及存储介质。
背景技术
Linux操作系统是一种免费使用和自由传播的类UNIX操作系统，是一个基于POSIX的多用户、多任务、支持多线程和多CPU的操作系统，用户生态丰富。中国出现的多个国产化操作系统，如中标麒麟(NeoKylin)操作系统、银河麒麟(Kylin)操作系统、优麒麟(UbuntuKylin)操作系统均属于类Linux操作系统。本文应用的系统平台采用Linux操作系统，可实施在中标麒麟、银河麒麟和优麒麟国产化操作系统上。
编程人员在Linux操作系统上进行程序开发，常使用Qt、PyCharm等编程工具进行C/C++/Python语音程序开发，属于用户态编程。这种编程方式借助编程工具的代码校验功能、调试功能，能十分方便地进行程序的代码编写、编译、调试、运行，对程序员十分友好。但是由于Linux对用户态编程的限制，使得用户态下程序人员无法直接操作系统资源，一个典型问题场景是：访问PCIE外设时，常需要进行DMA相关操作，如DMA连续物理内存申请，这些系统资源的操作均无法进行，限制了用户态编程的程序开发。
为了解决Linux用户态下编程时无法直接申请DMA连续物理内存的问题，本文基于内核底层操作库和内存映射技术，提出了一种Linux用户态下DMA连续物理内存的申请方法、装置及存储介质。
发明内容
本申请的目的是针对以上问题，提供一种Linux用户态下DMA连续物理内存的申请方法、装置及存储介质。具体技术方案如下：
第一方面，本申请提供一种Linux用户态下DMA连续物理内存的申请方法，所述方法包括如下步骤：
S1、创建字符设备文件节点；所述字符设备文件节点用于作为系统资源访问的媒介；
S2、基于所述字符设备文件节点，向系统申请一段连续内存空间，并将该段连续内存空间转换为连续物理内存地址；
S3、定义访问步骤S2中连续物理内存地址的接口。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，步骤S1中，创建字符设备文件节点具体包括：
S11、动态分配主设备号；
S12、初始化主设备，获得主设备号；
S13、将主设备号注册为字符设备；
S14、创建字符设备关联类；
S15、动态创建字符设备文件节点。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，步骤S2中，基于所述字符设备文件节点，向系统申请一段连续内存空间，并将该段连续内存空间转换为连续物理内存地址，具体包括：
S21、申请连续物理内存接口；
S22、向系统申请一段连续内存空间；
S23、将步骤S22中的一段连续内存空间转换为连续物理内存地址；
S24、释放所述连续物理内存接口。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，步骤S3中，基于内存映射机制定义访问步骤S2中连续物理内存地址的接口。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，在ioctl接口中实现申请和释放所述连续物理内存接口。
第二方面，本申请还提供一种Linux用户态下DMA连续物理内存的申请装置，所述申请装置包括：
存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序；
所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上任意一种所述的Linux用户态下DMA连续物理内存的申请方法的步骤。
第三方面，本申请还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有Linux用户态下DMA连续物理内存的申请程序，所述Linux用户态下DMA连续物理内存的申请程序被处理器执行时实现如上述任意一种所述的Linux用户态下DMA连续物理内存的申请方法的步骤。
与现有技术相比，本申请的有益效果：本申请提供的DMA连续物理内存的申请方法，首先创建字符设备文件节点作为系统资源访问的媒介，动态分配设备号并动态创建字符设备文件节点，完成在Linux文件系统中创建字符设备，然后在此基础上，实现基于内存页分配的连续物理内存申请和释放方法，完成用户程序调用字符设备的DMA连续物理内存的申请和释放接口；最后实现基于内存映射的字符设备文件节点的内存访问方法，完成设备文件节点的连续物理内存空间到用户程序内存空间的映射；本申请在系统为Linux的应用场景下，使用者在用户态下编程，针对系统平台特点，根据内存申请要求，结合内核底层操作库和内存映射技术，设计实现了一种Linux用户态下的DMA连续物理内存申请方法；本发明解决了Linux用户态下编程时无法直接申请DMA连续物理内存的问题。
附图说明
图1为本申请实施例一提供的Linux用户态下DMA连续物理内存的申请方法的流程图；
图2为图1中步骤S1的具体流程图；
图3为图1中步骤S2的具体流程图；
图4为本申请实施例四提供的服务端的结构示意图。
图中所述文字标注表示为：
400、服务端；401、中央处理单元(CPU)；402、只读存储器(ROM)；403、随机访问存储器(RAM)；404、总线；405、输入/输出(I/O)接口；406、输入部分；407、输出部分；408、存储部分；409、通信部分；410、驱动器；411、可拆卸介质。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本申请的保护范围有任何的限制作用。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
实施例一
本实施例提供一种Linux用户态下DMA连续物理内存的申请方法，所述方法的流程图如图1所示，所述方法包括如下步骤：
S1、创建字符设备文件节点；所述字符设备文件节点用于作为系统资源访问的媒介。
Linux的设备管理是和文件系统紧密结合的，各种设备都以文件的形式存放在/dev目录下，称为设备文件。应用程序可以打开、关闭和读写这些设备文件，完成对设备的操作，就像操作普通的数据文件一样。字符设备文件节点在Linux中是一类系统资源相关的文件节点，本申请将利用字符设备文件节点作为系统资源申请和访问的媒介，实现在用户态下DMA连续物理内存的申请和访问。
请参考图2，创建字符设备文件节点，具体包括如下步骤：
S11、动态分配主设备号，具体地通过调用alloc_chrdev_region来动态分配主设备号；
S12、初始化主设备，获得主设备号，具体地，使用MKDEV宏初始化设备，获得主设备号，并关联对应的文件操作；
S13、将主设备号注册为字符设备，具体地，使用cdev_dev将主设备号注册为字符设备；
S14、创建字符设备关联类，具体地，调用class_create创建设备关联类；
S15、动态创建字符设备文件节点，具体地，调用device_create动态创建字符设备文件节点，指明字符设备在Linux文件系统/dev下的文件名。
S2、基于所述字符设备文件节点，向系统申请一段连续内存空间，并将该段连续内存空间转换为连续物理内存地址。
字符设备文件节点创建成功后，需实现连续物理内存申请和释放接口供应用程序调用。对字符设备文件节点的操作通过统一的ioctl接口，在ioctl接口中实现基于内存页分配的申请和释放所述连续物理内存接口。
请参考图3，实现连续物理内存申请和释放接口的具体步骤如下：
S21、申请连续物理内存接口；
ioctl接口中，设申请连续物理内存接口的命令值为整型值IOCALLOC，传入参数定义为包含申请物理内存大小和物理内存起始地址指针的结构体。
S22、向系统申请一段连续内存空间；
在申请连续物理内存接口中，调用系统函数kmalloc实现向系统申请一段指定大小的连续内存空间，为满足DMA硬件可读写的要求，kmalloc指定GFP_DMA作为申请内存的区修饰参数，kmalloc申请内存成功会返回连续内存的虚拟内存起始地址。
S23、将步骤S22中的一段连续内存空间转换为连续物理内存地址；
调用virt_to_phys转换为物理内存地址，写入传入参数中物理内存起始地址指针，完成连续物理内存的申请。
S24、释放所述连续物理内存接口。
ioctl接口中，设释放连续物理内存接口的命令值为整型值IOCFREE，传入参数定义为包含待释放的物理内存起始地址；在释放连续物理内存接口中，在已申请的内存空间中搜索待释放的物理内存起始地址，找到对应的虚拟内存地址，调用系统函数kfree释放申请的内存空间，完成释放连续物理内存。
S3、定义访问步骤S2中连续物理内存地址的接口。在本步骤中，基于内存映射机制定义访问步骤S2中连续物理内存地址的接口。
Linux提供了内存映射机制来使用户程序具有对文件直接访问的能力，内存映射是用来将一个文件或其它对象映射到用户程序的地址空间，实现文件节点和进程虚拟地址空间的相互映射。在字符设备文件节点中实现内存映射函数(mmap)，将申请的连续物理内存空间映射到用户程序的连续虚拟空间，达到用户程序读取和修改连续物理内存空间的功能。实现字符设备文件节点的内存映射函数的具体步骤如下：
S31、自定义内存映射函数(mmap)，具体地将虚拟内存区块结构体vm_area_struct的映射偏移量vm_pgoff和内存空间首地址vm_start与末地址vm_end的差值作为参数，传入创建页表函数remap_pfn_range，完成设备文件节点的连续物理内存空间到用户程序内存空间的映射；
S32、在操作文件接口中注册自定义的内存映射函数(mmap)；
S33、用户程序打开字符设备文件节点并申请DMA连续物理空间后，调用mmap，传入申请到的物理空间首地址作为页偏移off_t参数，获得用户空间下DMA连续物理内存的访问起始地址。
本申请提供的Linux用户态下DMA连续物理内存的申请方法，首先，创建字符设备文件节点作为系统资源访问的媒介，动态分配设备号并动态创建字符设备文件节点，完成在Linux文件系统中创建字符设备，然后，在此基础上，实现基于内存页分配的连续物理内存申请和释放方法，完成用户程序调用字符设备的DMA连续物理内存的申请和释放接口；最后，实现基于内存映射的字符设备文件节点的内存访问方法，完成设备文件节点的连续物理内存空间到用户程序内存空间的映射。
本申请为了解决Linux用户态下编程时无法直接申请DMA连续物理内存的问题，采用基于内核底层操作库和内存映射技术，创建字符设备文件节点作为系统资源申请和访问的媒介，在字符设备文件节点中实现DMA连续物理内存申请和释放接口，并通过虚拟地址到物理地址的转换供用户程序使用，最后通过实现字符设备文件节点的内存映射函数，将申请的连续物理内存空间映射到用户程序的连续虚拟空间，达到用户程序读取和修改连续物理内存空间的功能。
本申请提供的Linux用户态下DMA连续物理内存的申请方法，可以实现Linux用户态下DMA连续物理内存的申请，该方法已经经过了中标麒麟、银河麒麟的系统验证，并进行了仿真实验检验。结果标明，该方案可以快速可靠地实现用户态下申请DMA连续物理空间。
实施例二
本实施例提供一种Linux用户态下DMA连续物理内存的申请装置，所述申请装置包括：
存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序；
所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上任意一种所述的Linux用户态下DMA连续物理内存的申请方法的步骤。
实施例三
本实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有Linux用户态下DMA连续物理内存的申请程序，所述Linux用户态下DMA连续物理内存的申请程序被处理器执行时实现如上述任意一种所述的Linux用户态下DMA连续物理内存的申请方法的步骤。
实施例四
本实施例提供一种服务端400，如图4所示，所述服务端400包括中央处理单元(CPU)401，其可以根据存储在只读存储器(ROM)402中的程序或者从存储部分加载到随机访问存储器(RAM)403中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM403中，还存储有系统操作所需的各种程序和数据。CPU401、ROM402以及RAM403通过总线404彼此相连。输入/输出(I/O)接口405也连接至总线404。
以下部件连接至I/O接口405：包括键盘、鼠标等的输入部分406；包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等以及扬声器等的输出部分407；包括硬盘等的存储部分408；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分409。通信部分409经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器也根据需要连接至I/O接口405。可拆卸介质411，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器410上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分408。
特别地，根据本发明的实施例，上文参考图1-图3描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本发明的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行图1-图3所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分409从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质411被安装。
需要说明的是，本发明所示的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本发明中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本发明中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
描述于本发明实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现，所描述的单元也可以设置在处理器中。其中，这些单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定。所描述的单元或模块也可以设置在处理器中，例如，可以描述为：一种处理器包括第一生成模块、获取模块、查找模块、第二生成模块及合并模块。其中，这些单元或模块的名称在某种情况下并不构成对该单元或模块本身的限定。
作为另一方面，本申请还提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质可以是上述实施例中描述的服务端中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被一个该电子设备执行时，使得该电子设备实现如上述实施例中所述的Linux用户态下DMA连续物理内存的申请方法。例如，所述电子设备可以实现如图1-图3中所示的各个步骤。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本公开的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。
此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开中方法的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，以及/或者将一个步骤分解为多个步骤执行等。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施方式可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种Linux用户态下DMA连续物理内存的申请方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1、创建字符设备文件节点；所述字符设备文件节点用于作为系统资源访问的媒介；
S2、基于所述字符设备文件节点，向系统申请一段连续内存空间，并将该段连续内存空间转换为连续物理内存地址；
S3、定义访问步骤S2中连续物理内存地址的接口。
2.根据权利要求1所述的Linux用户态下DMA连续物理内存的申请方法，其特征在于，步骤S1中，创建字符设备文件节点具体包括：
S11、动态分配主设备号；
S12、初始化主设备，获得主设备号；
S13、将主设备号注册为字符设备；
S14、创建字符设备关联类；
S15、动态创建字符设备文件节点。
3.根据权利要求1所述的Linux用户态下DMA连续物理内存的申请方法，其特征在于，步骤S2中，基于所述字符设备文件节点，向系统申请一段连续内存空间，并将该段连续内存空间转换为连续物理内存地址，具体包括：
S21、申请连续物理内存接口；
S22、向系统申请一段连续内存空间；
S23、将步骤S22中的一段连续内存空间转换为连续物理内存地址；
S24、释放所述连续物理内存接口。
4.根据权利要求1所述的Linux用户态下DMA连续物理内存的申请方法，其特征在于，步骤S3中，基于内存映射机制定义访问步骤S2中连续物理内存地址的接口。
5.根据权利要求3所述的Linux用户态下DMA连续物理内存的申请方法，其特征在于，在ioctl接口中实现申请和释放所述连续物理内存接口。
6.一种Linux用户态下DMA连续物理内存的申请装置，其特征在于，所述申请装置包括：
存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序；
所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至5中任一项所述的Linux用户态下DMA连续物理内存的申请方法的步骤。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有Linux用户态下DMA连续物理内存的申请程序，所述Linux用户态下DMA连续物理内存的申请程序被处理器执行时实现如权利要求1至5中任一项所述的Linux用户态下DMA连续物理内存的申请方法的步骤。
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