Linux 内存管理之CMA / 开普饭

什么是CMA

CMA是reserved的一块内存，用于分配连续的大块内存。当设备驱动不用时，内存管理系统将该区域用于分配和管理可移动类型页面；当设备驱动使用时，此时已经分配的页面需要进行迁移，又用于连续内存分配；其用法与DMA子系统结合在一起充当DMA的后端，具体可参考《没有IOMMU的DMA操作》。

数据结构

struct cma {

 //CMA区域物理地址的起始页帧号

 unsigned long   base_pfn; 

 //CMA区域总体的页数

 unsigned long   count;

 //位图，用于描述页的分配情况

 unsigned long   *bitmap;

 //位图中每个bit描述的物理页面的order值，其中页面数为2^order值

 unsigned int order_per_bit; /* Order of pages represented by one bit */

 struct mutex    lock;

#ifdef CONFIG_CMA_DEBUGFS

 struct hlist_head mem_head;

 spinlock_t mem_head_lock;

#endif

 const char *name;

};

extern struct cma cma_areas[MAX_CMA_AREAS]; extern unsigned cma_area_count;

bitmap来管理其内存的分配，0表示free，1表示已经分配。
如果order_per_bit等于0，表示按照一个一个page来分配和释放，如果order_per_bit等于1，表示按照2个page组成的block来分配和释放，以此类推。
count说明该cma_areas内存有多少个page。它和order_per_bit一起决定了bitmap指针指向内存的大小。
base_pfn定义了该cma_areas的起始page frame number，base_pfn和count一起定义了该cma_areas在内存中的范围。

from loyenwang

CMA区域 cma_areas 的创建

CMA区域的创建有两种方法，一种是通过dts的reserved memory，另外一种是通过command line参数和内核配置参数。

dts方式：

reserved-memory {        /* global autoconfigured region for contiguous allocations */        linux,cma {                compatible = 'shared-dma-pool';                reusable;                size = <0 0x28000000>;                alloc-ranges = <0 0xa0000000 0 0x40000000>;                linux,cma-default;        };};

device tree中可以包含reserved-memory node，系统启动的时候会打开rmem_cma_setup

RESERVEDMEM_OF_DECLARE(cma, 'shared-dma-pool', rmem_cma_setup);

command line方式：

cma=nn[MG]@[start[MG][-end[MG]]]

static int __init early_cma(char *p)

{

 pr_debug('%s(%s)\n', __func__, p);

 size_cmdline = memparse(p, &p);

 if (*p != '@') {

  /*

  if base and limit are not assigned,

  set limit to high memory bondary to use low memory.

  */

  limit_cmdline = __pa(high_memory);

  return 0;

 }

 base_cmdline = memparse(p   1, &p);

 if (*p != '-') {

  limit_cmdline = base_cmdline   size_cmdline;

  return 0;

 }

 limit_cmdline = memparse(p   1, &p);

return 0; } early_param('cma', early_cma);

系统在启动的过程中会把cmdline里的nn, start, end传给函数dma_contiguous_reserve，流程如下：

setup_arch--->arm64_memblock_init--->dma_contiguous_reserve->dma_contiguous_reserve_area->cma_declare_contiguous

将CMA区域添加到Buddy System

为了避免这块reserved的内存在不用时候的浪费，内存管理模块会将CMA区域添加到Buddy System中，用于可移动页面的分配和管理。CMA区域是通过cma_init_reserved_areas接口来添加到Buddy System中的。

static int __init cma_init_reserved_areas(void){ int i;

 for (i = 0; i < cma_area_count; i  ) {  int ret = cma_activate_area(&cma_areas[i]);

  if (ret)   return ret; }

 return 0;}core_initcall(cma_init_reserved_areas);

其实现比较简单，主要分为两步：

把该页面设置为MIGRATE_CMA标志
通过__free_pages将页面添加到buddy system中

CMA分配

《没有IOMMU的DMA操作》里讲过，CMA是通过cma_alloc分配的。cma_alloc->alloc_contig_range(..., MIGRATE_CMA,...)，向刚才释放给buddy system的MIGRATE_CMA类型页面，重新“收集”过来。

用CMA的时候有一点需要注意：

也就是上图中黄色部分的判断。CMA内存在分配过程是一个比较“重”的操作，可能涉及页面迁移、页面回收等操作，因此不适合用于atomic context。比如之前遇到过一个问题，当内存不足的情况下，向U盘写数据的同时操作界面会出现卡顿的现象，这是因为CMA在迁移的过程中需要等待当前页面中的数据回写到U盘之后，才会进一步的规整为连续内存供gpu/display使用，从而出现卡顿的现象。

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