linux | 数据包到网卡在通过DMA到内存过程

DMA 是一种硬件机制，它允许外围组件将其 I/O 数据直接传输到主内存或从主内存传输数据，而无需系统处理器参与传输。使用这种机制可以极大地增加进出设备的吞吐量，因为大量的计算开销被消除了。

要利用其硬件的 DMA 功能，设备驱动程序需要能够正确设置 DMA 传输并与硬件同步。不幸的是，由于其硬件性质，DMA 非常依赖于系统。每种体系结构都有自己的技术来管理 DMA 传输，并且每种体系结构的编程接口都不同。内核也不能提供统一的接口，因为驱动程序不能从底层硬件机制中抽象出太多。然而，在最近的内核中，已经朝着这个方向采取了一些步骤。

可以通过两种方式触发数据传输：软件请求数据（通过read等函数）或硬件将数据异步推送到系统。

对于第一种情况，所涉及的步骤可以概括如下：

1. 当进程调用read时，驱动程序方法会分配一个 DMA 缓冲区并指示硬件传输其数据。进程进入休眠状态。
2. 硬件将数据写入 DMA 缓冲区并在完成时引发中断。
3. 中断处理程序获取输入数据、确认中断并唤醒进程，该进程现在能够读取数据。

第二种情况发生在异步使用 DMA 时。例如，即使没有人在读取数据，数据采集设备也会继续推送数据，就会发生这种情况。在这种情况下，驱动程序应该维护一个缓冲区，以便后续的读取调用将所有累积的数据返回到用户空间。这种转移涉及的步骤略有不同：

1. 硬件发出中断以宣布新数据已到达。
2. 中断处理程序分配一个缓冲区并告诉硬件将其数据传输到哪里。
3. 外围设备将数据写入缓冲区并在完成时引发另一个中断。
4. 处理程序调度新数据，唤醒任何相关进程，并负责内务处理。

异步方法的一种变体经常出现在网卡上。这些卡通常希望在与处理器共享的内存中建立一个循环缓冲区（通常称为DMA 环形缓冲区）；每个传入的数据包都放在环中的下一个可用缓冲区中，并发出中断信号。然后驱动程序将网络数据包传递给内核的其余部分，并在环中放置一个新的 DMA 缓冲区。

所有这些情况下的处理步骤都强调有效的 DMA 处理依赖于中断报告。虽然可以使用轮询驱动程序实现 DMA，但这没有意义，因为轮询驱动程序会浪费 DMA 提供的性能优势，而不是更简单的处理器驱动 I/O。

这里介绍的另一个相关项目是 DMA 缓冲区。要利用直接内存访问，设备驱动程序必须能够分配一个或多个适合 DMA 的特殊缓冲区。请注意，许多驱动程序在初始化时分配它们的缓冲区并使用它们直到关闭 - 因此，前面列表中的分配一词意味着“获取先前分配的缓冲区”。

• https://www.oreilly.com/library/view/linux-device-drivers/0596000081/ch13s04.html
• https://en.wikipedia.org/wiki/Direct_memory_access
• https://arthurchiao.art/blog/monitoring-network-stack/
• https://blog.packagecloud.io/illustrated-guide-monitoring-tuning-linux-networking-stack-receiving-data/
• https://blog.packagecloud.io/monitoring-tuning-linux-networking-stack-receiving-data/
• https://www.linuxjournal.com/content/queueing-linux-network-stack