Linux DMA Engine framework(1)_概述

本文介绍了Linux DMA Engine框架的基本概念和术语,包括DMA channels、DMA request lines、传输参数及scatter-gather技术,为后续深入解析DMA Engine的Provider和Consumer角度的实现细节奠定基础。

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Linux DMA Engine framework(1)_概述

作者:wowo 发布于:2017-3-30 22:01 分类:Linux内核分析

1. 前言

前面文章介绍“Linux MMC framework”的时候,涉及到了MMC数据传输,进而不可避免地遭遇了DMA(Direct Memory Access)。因而,择日不如撞日,就开几篇文章介绍Linux的DMA Engine framework吧。

本文是DMA Engine framework分析文章的第一篇,主要介绍DMA controller的概念、术语(从硬件的角度,大部分翻译自kernel的document[1])。之后,会分别从Provider(DMA controller驱动)和Consumer(其它驱动怎么使用DMA传输数据)两个角度,介绍Linux DMA engine有关的技术细节。

2. DMA Engine硬件介绍

DMA是Direct Memory Access的缩写,顾名思义,就是绕开CPU直接访问memory的意思。在计算机中,相比CPU,memory和外设的速度是非常慢的,因而在memory和memory(或者memory和设备)之间搬运数据,非常浪费CPU的时间,造成CPU无法及时处理一些实时事件。因此,工程师们就设计出来一种专门用来搬运数据的器件----DMA控制器,协助CPU进行数据搬运,如下图所示:

dma

图片1 DMA示意图

思路很简单,因而大多数的DMA controller都有类似的设计原则,归纳如下[1]。

注1:得益于类似的设计原则,Linux kernel才有机会使用一套framework去抽象DMA engine有关的功能。

2.1 DMA channels

一个DMA controller可以“同时”进行的DMA传输的个数是有限的,这称作DMA channels。当然,这里的channel,只是一个逻辑概念,因为:

鉴于总线访问的冲突,以及内存一致性的考量,从物理的角度看,不大可能会同时进行两个(及以上)的DMA传输。因而DMA channel不太可能是物理上独立的通道;

很多时候,DMA channels是DMA controller为了方便,抽象出来的概念,让consumer以为独占了一个channel,实际上所有channel的DMA传输请求都会在DMA controller中进行仲裁,进而串行传输;

因此,软件也可以基于controller提供的channel(我们称为“物理”channel),自行抽象更多的“逻辑”channel,软件会管理这些逻辑channel上的传输请求。实际上很多平台都这样做了,在DMA Engine framework中,不会区分这两种channel(本质上没区别)。

2.2 DMA request lines

由图片1的介绍可知,DMA传输是由CPU发起的:CPU会告诉DMA控制器,帮忙将xxx地方的数据搬到xxx地方。CPU发完指令之后,就当甩手掌柜了。而DMA控制器,除了负责怎么搬之外,还要决定一件非常重要的事情(特别是有外部设备参与的数据传输):

何时可以开始数据搬运?

因为,CPU发起DMA传输的时候,并不知道当前是否具备传输条件,例如source设备是否有数据、dest设备的FIFO是否空闲等等。那谁知道是否可以传输呢?设备!因此,需要DMA传输的设备和DMA控制器之间,会有几条物理的连接线(称作DMA request,DRQ),用于通知DMA控制器可以开始传输了。

这就是DMA request lines的由来,通常来说,每一个数据收发的节点(称作endpoint),和DMA controller之间,就有一条DMA request line(memory设备除外)。

最后总结:

DMA channel是Provider(提供传输服务),DMA request line是Consumer(消费传输服务)。在一个系统中DMA request line的数量通常比DMA channel的数量多,因为并不是每个request line在每一时刻都需要传输。

2.3 传输参数

在最简单的DMA传输中,只需为DMA controller提供一个参数----transfer size,它就可以欢快的工作了:

在每一个时钟周期,DMA controller将1byte的数据从一个buffer搬到另一个buffer,直到搬完“transfer size”个bytes即可停止。

不过这在现实世界中往往不能满足需求,因为有些设备可能需要在一个时钟周期中,传输指定bit的数据,例如:

memory之间传输数据的时候,希望能以总线的最大宽度为单位(32-bit、64-bit等),以提升数据传输的效率; 
而在音频设备中,需要每次写入精确的16-bit或者24-bit的数据; 
等等。

因此,为了满足这些多样的需求,我们需要为DMA controller提供一个额外的参数----transfer width。

另外,当传输的源或者目的地是memory的时候,为了提高效率,DMA controller不愿意每一次传输都访问memory,而是在内部开一个buffer,将数据缓存在自己buffer中:

memory是源的时候,一次从memory读出一批数据,保存在自己的buffer中,然后再一点点(以时钟为节拍),传输到目的地; 
memory是目的地的时候,先将源的数据传输到自己的buffer中,当累计一定量的数据之后,再一次性的写入memory。

这种场景下,DMA控制器内部可缓存的数据量的大小,称作burst size----另一个参数。

2.4 scatter-gather

我们在“Linux MMC framework(2)_host controller driver”中已经提过scatter的概念,DMA传输时也有类似概念:

一般情况下,DMA传输一般只能处理在物理上连续的buffer。但在有些场景下,我们需要将一些非连续的buffer拷贝到一个连续buffer中(这样的操作称作scatter gather,挺形象的)。

对于这种非连续的传输,大多时候都是通过软件,将传输分成多个连续的小块(chunk)。但为了提高传输效率(特别是在图像、视频等场景中),有些DMA controller从硬件上支持了这种操作。 
注2:具体怎么支持,和硬件实现有关,这里不再多说(只需要知道有这个事情即可,编写DMA controller驱动的时候,自然会知道怎么做)。

3. 总结

本文简单的介绍了DMA传输有关的概念、术语,接下来将会通过下面两篇文章,介绍Linux DMA engine有关的实现细节:

Linux DMA Engine framework(2)_provider

Linux DMA Engine framework(3)_consumer

4. 参考文档

[1] Documentation/dmaengine/provider.txt

<think>嗯,用户想了解CRC32校验算法的实现和使用方法。我需要先回顾一下CRC32的基本原理,然后考虑如何用简单易懂的中文解释清楚。首先,CRC32是基于循环冗余校验的一种算法,主要用于检测数据传输或存储中的错误。用户可能希望知道它的具体步骤,比如如何初始化、处理数据、异或操作以及最终得到校验值。 根据提供的引用资料,CRC32的核心是多项式除法,但实际中通过查表法优化速度。需要解释生成多项式,比如常见的0xEDB88320,以及初始值、输入输出是否反转这些参数。用户提供的代码片段中有两个版本,一个是逐位计算,另一个是查表法,这可能需要在回答中对比说明,突出查表法的效率优势。 接下来,用户可能关心具体怎么使用这个算法,比如在C语言中的实现步骤,或者如何应用到实际项目中,比如文件校验或网络传输。要分步骤讲解,从初始化到处理每个字节,再到最终计算,可能需要示例代码来辅助说明。同时,注意用户要求行内数学表达式用$...$,比如多项式应该写成$0xEDB88320$这样的格式。 另外,用户的问题里提到生成相关问题,我需要考虑相关的问题可能涉及性能优化、不同生成多项式的影响,或者CRC32与其他校验算法的比较。这些可以作为相关问题放在最后,帮助用户进一步探索。 需要确保回答结构清晰,先讲原理,再讲实现步骤,然后使用方法,最后附上相关问题。同时,引用提供的资料,比如引用[^1]和[^2]来支持解释。要避免技术术语过于复杂,保持语言通俗易懂,同时满足LaTeX格式要求,比如多项式用$符号包裹。检查是否有遗漏的步骤,比如输入反转和输出反转的处理,这在代码示例中有所体现,需要解释清楚这些参数的作用。</think>### CRC32校验算法实现及使用方法 #### 一、CRC32基本原理 CRC32通过多项式除法生成32位校验值,用于检测数据传输或存储中的错误。其核心是生成多项式$G(x)$,常用标准为$0xEDB88320$(反向多项式形式)[^1]。算法流程如下: 1. **初始化**:设置32位寄存器初值为$0xFFFFFFFF$ 2. **数据输入**:逐字节与寄存器异或运算 3. **位移处理**:根据多项式进行循环移位和异或操作 4. **结果取反**:最终值与$0xFFFFFFFF$异或 #### 二、算法实现(C语言) ```c // 查表法实现(高效) uint32_t crc32_table[256]; void init_crc32_table() { for (int i = 0; i < 256; i++) { uint32_t crc = i; for (int j = 0; j < 8; j++) { crc = (crc >> 1) ^ ((crc & 1) ? 0xEDB88320 : 0); } crc32_table[i] = crc; } } uint32_t calc_crc32(uint8_t *data, size_t len) { uint32_t crc = 0xFFFFFFFF; while (len--) { crc = (crc >> 8) ^ crc32_table[(crc ^ *data++) & 0xFF]; } return crc ^ 0xFFFFFFFF; } ``` 此实现通过预先生成的256元素查找表,将时间复杂度从$O(n \cdot 8)$优化到$O(n)$。 #### 三、使用场景及方法 1. **文件校验**:计算文件CRC32值验证完整性 ```bash $ crc32 filename.txt ``` 2. **网络传输**:在数据帧尾部附加4字节校验码 3. **存储系统**:RAID、ZFS等文件系统使用CRC32校验数据块 #### 四、参数配置 | 参数 | 说明 | 标准值 | |---------------|---------------------------|-----------------| | 初始值 | 寄存器初始状态 | 0xFFFFFFFF | | 多项式 | 生成多项式 | 0xEDB88320 | | 输入/输出反转 | 字节处理顺序 | 通常需要反转 |
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