LINUX DMA 解析

DMA是一种无需CPU的参与就可以让外设和系统内存之间进行双向数据传输的硬件机制。使用DMA可以使系统CPU从实际的I/O数据传输过程中摆脱出来，从而大大提高系统的吞吐率。DMA经常与硬件体系结构特别是外设的总线技术密切相关。

一、DMA控制器硬件结构

DMA允许外围设备和主内存之间直接传输 I/O 数据， DMA 依赖于系统。每一种体系结构DMA传输不同，编程接口也不同。

数据传输可以以两种方式触发：一种软件请求数据，另一种由硬件异步传输。

a -- 软件请求数据

调用的步骤可以概括如下（以read为例）：

（1）在进程调用 read 时，驱动程序的方法分配一个 DMA 缓冲区，随后指示硬件传送它的数据。进程进入睡眠。

（2）硬件将数据写入 DMA 缓冲区并在完成时产生一个中断。

（3）中断处理程序获得输入数据，应答中断，最后唤醒进程，该进程现在可以读取数据了。

b -- 由硬件异步传输

在 DMA 被异步使用时发生的。以数据采集设备为例：

（1）硬件发出中断来通知新的数据已经到达。

（2）中断处理程序分配一个DMA缓冲区。

（3）外围设备将数据写入缓冲区，然后在完成时发出另一个中断。

（4）处理程序利用DMA分发新的数据，唤醒任何相关进程。

网卡传输也是如此，网卡有一个循环缓冲区（通常叫做 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，并且发出中断。然后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，并使用它们直到停止运行。

二、DMA通道使用的地址

DMA通道用dma_chan结构数组表示，这个结构在kernel/dma.c中，列出如下：

struct dma_chan {
    int lock;
    const char *device_id;
};

static struct dma_chan dma_chan_busy[MAX_DMA_CHANNELS] = {
      [4] = {1,"cascade"}  
};

如果dma_chan_busy[n].lock != 0表示忙，DMA0保留为DRAM更新用，DMA4用作级联。DMA 缓冲区的主要问题是，当它大于一页时，它必须占据物理内存中的连续页。

由于DMA需要连续的内存，因而在引导时分配内存或者为缓冲区保留物理 RAM 的顶部。在引导时给内核传递一个"mem="参数可以保留 RAM 的顶部。例如，如果系统有 32MB 内存，参数"mem=31M"阻止内核使用最顶部的一兆字节。稍后，模块可以使用下面的代码来访问这些保留的内存：

dmabuf = ioremap( 0x1F00000 /* 31M */, 0x100000 /* 1M */);

分配 DMA 空间的方法，代码调用 kmalloc（GFP_ATOMIC） 直到失败为止，然后它等待内核释放若干页面，接下来再一次进行分配。最终会发现由连续页面组成的DMA 缓冲区的出现。

一个使用 DMA 的设备驱动程序通常会与连接到接口总线上的硬件通讯，这些硬件使用物理地址，而程序代码使用虚拟地址。基于 DMA 的硬件使用总线地址而不是物理地址，有时，接口总线是通过将 I/O 地址映射到不同物理地址的桥接电路连接的。甚至某些系统有一个页面映射方案，能够使任意页面在外围总线上表现为连续的。

当驱动程序需要向一个 I/O 设备（例如扩展板或者DMA控制器）发送地址信息时，必须使用 virt_to_bus 转换，在接受到来自连接到总线上硬件的地址信息时，必须使用 bus_to_virt 了。

三、DMA操作函数

写一个DMA驱动的主要工作包括：DMA通道申请、DMA中断申请、控制寄存器设置、挂入DMA等待队列、清除DMA中断、释放DMA通道

因为 DMA 控制器是一个系统级的资源，所以内核协助处理这一资源。内核使用 DMA 注册表为 DMA 通道提供了请求/释放机制，并且提供了一组函数在 DMA 控制器中配置通道信息。

以下具体分析关键函数（linux/arch/arm/mach-s3c2410/dma.c）

int s3c2410_request_dma(const char *device_id,dmach_t channel,
            dma_callback_t write_cb,dma_callback_t read_cb) (s3c2410_dma_queue_buffer);
/*
函数描述 申请其通道的DMA资源，填充s3c2410_dma_t 数据结构内容 ，申请DMA中断。
输入参数 device_id DMA 设备名，chananel 通道号。
write_cb DMA 写操作完成的回调函数，read_cb DMA读操作完成的回调函数
输出参数 若channel 通道已使用，出错返回。否则返回0
*/

int s3c5410_dma_queue_buffer(dmach_t channel，void *buf_id，dma_addr_t data， int size， int write)(s3c2410_dma_stop);
/*
   函数描述 这是DMA操作最关键的函数，它完成了一系列动作，分配并初始化一个DMA内核缓冲区控制结构
   输入参数 channel 通道号：buf_id ，缓冲区标识
   dma_addr_t data DMA数据缓冲区起始物理地址;size DMA数据缓冲区大小;write 是写还是读操作
   输出参数操作成功，返回0；否则返回错误号；
*/

int s3c2410_dma_stop(dmach_t channel)
//函数描述 停止DMA操作

int s3c2410_dma_flush_all(dmach_t channel)
//函数描述 得到DMA通道所申请的所有内存资源

void s3c2410_free_dma(dmach_t channel)
//函数描述 释放DMA通道

四、DMA映射

一个DMA映射就是分配一个 DMA 缓冲区并为该缓冲区生成一个能够被设备访问的地址的组合操作。一般情况下，简单地调用函数virt_to_bus 就设备总线上的地址，但有些硬件映射寄存器也被设置在总线硬件中。映射寄存器（mapping register）是一个类似于外围设备的虚拟内存等价物。在使用这些寄存器的系统上，外围设备有一个相对较小的、专用的地址区段，可以在此区段执行 DMA。通过映射寄存器，这些地址被重映射到系统 RAM。映射寄存器具有一些好的特性，包括使分散的页面在设备地址空间看起来是连续的。但不是所有的体系结构都有映射寄存器，特别地，PC 平台没有映射寄存器。

在某些情况下，为设备设置有用的地址也意味着需要构造一个反弹（bounce）缓冲区。例如，当驱动程序试图在一个不能被外围设备访问的地址（一个高端内存地址）上执行 DMA 时，反弹缓冲区被创建。然后，按照需要，数据被复制到反弹缓冲区，或者从反弹缓冲区复制。

根据 DMA 缓冲区期望保留的时间长短，PCI 代码区分两种类型的 DMA 映射：

a -- 一致 DMA 映射

它们存在于驱动程序的生命周期内。一个被一致映射的缓冲区必须同时可被 CPU 和外围设备访问，这个缓冲区被处理器写时，可立即被设备读取而没有cache效应，反之亦然，使用函数pci_alloc_consistent建立一致映射。

b -- 流式 DMA映射

流式DMA映射是为单个操作进行的设置。它映射处理器虚拟空间的一块地址，以致它能被设备访问。应尽可能使用流式映射，而不是一致映射。这是因为在支持一致映射的系统上，每个 DMA 映射会使用总线上一个或多个映射寄存器。具有较长生命周期的一致映射，会独占这些寄存器很长时间――即使它们没有被使用。使用函数dma_map_single建立流式映射。

1、建立一致 DMA 映射

函数pci_alloc_consistent处理缓冲区的分配和映射，函数分析如下（在include/asm-generic/pci-dma-compat.h中）：

 结构dma_coherent_mem定义了DMA一致性映射的内存的地址、大小和标识等。结构dma_coherent_mem列出如下（在arch/i386/kernel/pci-dma.c中）：

 函数dma_alloc_coherent分配size字节的区域的一致内存，得到的dma_handle是指向分配的区域的地址指针，这个地址作为区域的物理基地址。dma_handle是与总线一样的位宽的无符号整数。 函数dma_alloc_coherent分析如下（在arch/i386/kernel/pci-dma.c中）：

 

当不再需要缓冲区时（通常在模块卸载时），应该调用函数 pci_free_consitent 将它返还给系统。

2、建立流式 DMA 映射

在流式 DMA 映射的操作中，缓冲区传送方向应匹配于映射时给定的方向值。缓冲区被映射后，它就属于设备而不再属于处理器了。在缓冲区调用函数pci_unmap_single撤销映射之前，驱动程序不应该触及其内容。

在缓冲区为 DMA 映射时，内核必须确保缓冲区中所有的数据已经被实际写到内存。可能有些数据还会保留在处理器的高速缓冲存储器中，因此必须显式刷新。在刷新之后，由处理器写入缓冲区的数据对设备来说也许是不可见的。

如果欲映射的缓冲区位于设备不能访问的内存区段时，某些体系结构仅仅会操作失败，而其它的体系结构会创建一个反弹缓冲区。反弹缓冲区是被设备访问的独立内存区域，反弹缓冲区复制原始缓冲区的内容。

函数pci_map_single映射单个用于传送的缓冲区，返回值是可以传递给设备的总线地址，如果出错的话就为 NULL。一旦传送完成，应该使用函数pci_unmap_single 删除映射。其中，参数direction为传输的方向，取值如下：

PCI_DMA_TODEVICE 数据被发送到设备。

PCI_DMA_FROMDEVICE如果数据将发送到 CPU。

PCI_DMA_BIDIRECTIONAL数据进行两个方向的移动。

PCI_DMA_NONE 这个符号只是为帮助调试而提供。

函数pci_map_single分析如下（在arch/i386/kernel/pci-dma.c中）

 

函数dma_map_single映射一块处理器虚拟内存，这块虚拟内存能被设备访问，返回内存的物理地址，函数dma_map_single分析如下（在include/asm-i386/dma-mapping.h中）：

 

3、分散/集中映射

分散/集中映射是流式 DMA 映射的一个特例。它将几个缓冲区集中到一起进行一次映射，并在一个 DMA 操作中传送所有数据。这些分散的缓冲区由分散表结构scatterlist来描述，多个分散的缓冲区的分散表结构组成缓冲区的struct scatterlist数组。

分散表结构列出如下（在include/asm-i386/scatterlist.h）：

 每一个缓冲区的地址和长度会被存储在 struct scatterlist 项中，但在不同的体系结构中它们在结构中的位置是不同的。下面的两个宏定义来解决平台移植性问题，这些宏定义应该在一个pci_map_sg 被调用后使用：

 函数pci_map_sg完成分散/集中映射，其返回值是要传送的 DMA 缓冲区数；它可能会小于 nents（也就是传入的分散表项的数量），因为可能有的缓冲区地址上是相邻的。一旦传输完成，分散/集中映射通过调用函数pci_unmap_sg 来撤销映射。 函数pci_map_sg分析如下（在include/asm-generic/pci-dma-compat.h中）：

 

五、DMA池

许多驱动程序需要又多又小的一致映射内存区域给DMA描述子或I/O缓存buffer，这使用DMA池比用dma_alloc_coherent分配的一页或多页内存区域好，DMA池用函数dma_pool_create创建，用函数dma_pool_alloc从DMA池中分配一块一致内存，用函数dmp_pool_free放内存回到DMA池中，使用函数dma_pool_destory释放DMA池的资源。

结构dma_pool是DMA池描述结构，列出如下：

 

函数dma_pool_create给DMA创建一个一致内存块池，其参数name是DMA池的名字，用于诊断用，参数dev是将做DMA的设备，参数size是DMA池里的块的大小，参数align是块的对齐要求，是2的幂，参数allocation返回没有跨越边界的块数（或0）。

函数dma_pool_create返回创建的带有要求字符串的DMA池，若创建失败返回null。对被给的DMA池，函数dma_pool_alloc被用来分配内存，这些内存都是一致DMA映射，可被设备访问，且没有使用缓存刷新机制，因为对齐原因，分配的块的实际尺寸比请求的大。如果分配非0的内存，从函数dma_pool_alloc返回的对象将不跨越size边界（如不跨越4K字节边界）。这对在个体的DMA传输上有地址限制的设备来说是有利的。

函数dma_pool_create分析如下（在drivers/base/dmapool.c中）：

 

 函数dma_pool_alloc从DMA池中分配一块一致内存，其参数pool是将产生块的DMA池，参数mem_flags是GFP_*位掩码，参数handle是指向块的DMA地址，函数dma_pool_alloc返回当前没用的块的内核虚拟地址，并通过handle给出它的DMA地址，如果内存块不能被分配，返回null。

函数dma_pool_alloc包裹了dma_alloc_coherent页分配器，这样小块更容易被总线的主控制器使用。这可能共享slab分配器的内容。

函数dma_pool_alloc分析如下（在drivers/base/dmapool.c中）：

 

六、一个简单的使用DMA 例子

示例：下面是一个简单的使用DMA进行传输的驱动程序，它是一个假想的设备，只列出DMA相关的部分来说明驱动程序中如何使用DMA的。

函数dad_transfer是设置DMA对内存buffer的传输操作函数，它使用流式映射将buffer的虚拟地址转换到物理地址，设置好DMA控制器，然后开始传输数据。

 函数dad_interrupt是中断处理函数，当DMA传输完时，调用这个中断函数来取消buffer上的DMA映射，从而让内核程序可以访问这个buffer。

 函数dad_open打开设备，此时应申请中断号及DMA通道

 在与open 相对应的 close 函数中应该释放DMA及中断号。

 函数dad_dma_prepare初始化DMA控制器，设置DMA控制器的寄存器的值，为 DMA 传输作准备。

 函数dad_dma_isdone用来检查 DMA 传输是否成功结束。