DMA控制器硬件結(jié)構(gòu)與DMA通道使用的地址

DMA是一種無需CPU的參與就可以讓外設(shè)和系統(tǒng)內(nèi)存之間進行雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a target="_blank">硬件機制。使用DMA可以使系統(tǒng)CPU從實際的I/O數(shù)據(jù)傳輸過程中擺脫出來，從而大大提高系統(tǒng)的吞吐率。DMA經(jīng)常與硬件體系結(jié)構(gòu)特別是外設(shè)的總線技術(shù)密切相關(guān)。

一、DMA控制器硬件結(jié)構(gòu)

DMA允許外圍設(shè)備和主內(nèi)存之間直接傳輸 I/O 數(shù)據(jù)， DMA 依賴于系統(tǒng)。每一種體系結(jié)構(gòu)DMA傳輸不同，編程接口也不同。

數(shù)據(jù)傳輸可以以兩種方式觸發(fā)：一種軟件請求數(shù)據(jù)，另一種由硬件異步傳輸。

a --軟件請求數(shù)據(jù)

調(diào)用的步驟可以概括如下（以read為例）：

（1）在進程調(diào)用 read 時，驅(qū)動程序的方法分配一個 DMA 緩沖區(qū)，隨后指示硬件傳送它的數(shù)據(jù)。進程進入睡眠。（2）硬件將數(shù)據(jù)寫入 DMA 緩沖區(qū)并在完成時產(chǎn)生一個中斷。

（3）中斷處理程序獲得輸入數(shù)據(jù)，應(yīng)答中斷，最后喚醒進程，該進程現(xiàn)在可以讀取數(shù)據(jù)了。

b --由硬件異步傳輸

在 DMA 被異步使用時發(fā)生的。以數(shù)據(jù)采集設(shè)備為例：

（1）硬件發(fā)出中斷來通知新的數(shù)據(jù)已經(jīng)到達。（2）中斷處理程序分配一個DMA緩沖區(qū)。（3）外圍設(shè)備將數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)，然后在完成時發(fā)出另一個中斷。（4）處理程序利用DMA分發(fā)新的數(shù)據(jù)，喚醒任何相關(guān)進程。

網(wǎng)卡傳輸也是如此，網(wǎng)卡有一個循環(huán)緩沖區(qū)（通常叫做 DMA 環(huán)形緩沖區(qū)）建立在與處理器共享的內(nèi)存中。每一個輸入數(shù)據(jù)包被放置在環(huán)形緩沖區(qū)中下一個可用緩沖區(qū)，并且發(fā)出中斷。然后驅(qū)動程序?qū)?a href="http://ttokpm.com/v/tag/1722/" target="_blank">網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包傳給內(nèi)核的其它部分處理，并在環(huán)形緩沖區(qū)中放置一個新的 DMA 緩沖區(qū)。

驅(qū)動程序在初始化時分配DMA緩沖區(qū)，并使用它們直到停止運行。

二、DMA通道使用的地址

DMA通道用dma_chan結(jié)構(gòu)數(shù)組表示，這個結(jié)構(gòu)在kernel/dma.c中，列出如下：

如果dma_chan_busy[n].lock != 0表示忙，DMA0保留為DRAM更新用，DMA4用作級聯(lián)。DMA 緩沖區(qū)的主要問題是，當(dāng)它大于一頁時，它必須占據(jù)物理內(nèi)存中的連續(xù)頁。

由于DMA需要連續(xù)的內(nèi)存，因而在引導(dǎo)時分配內(nèi)存或者為緩沖區(qū)保留物理 RAM 的頂部。在引導(dǎo)時給內(nèi)核傳遞一個"mem="參數(shù)可以保留 RAM 的頂部。例如，如果系統(tǒng)有 32MB 內(nèi)存，參數(shù)"mem=31M"阻止內(nèi)核使用最頂部的一兆字節(jié)。稍后，模塊可以使用下面的代碼來訪問這些保留的內(nèi)存：

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

分配 DMA 空間的方法，代碼調(diào)用kmalloc（GFP_ATOMIC）直到失敗為止，然后它等待內(nèi)核釋放若干頁面，接下來再一次進行分配。最終會發(fā)現(xiàn)由連續(xù)頁面組成的DMA 緩沖區(qū)的出現(xiàn)。

一個使用 DMA 的設(shè)備驅(qū)動程序通常會與連接到接口總線上的硬件通訊，這些硬件使用物理地址，而程序代碼使用虛擬地址?；?DMA 的硬件使用總線地址而不是物理地址，有時，接口總線是通過將 I/O 地址映射到不同物理地址的橋接電路連接的。甚至某些系統(tǒng)有一個頁面映射方案，能夠使任意頁面在外圍總線上表現(xiàn)為連續(xù)的。

當(dāng)驅(qū)動程序需要向一個 I/O 設(shè)備（例如擴展板或者DMA控制器）發(fā)送地址信息時，必須使用 virt_to_bus 轉(zhuǎn)換，在接受到來自連接到總線上硬件的地址信息時，必須使用 bus_to_virt 了。

三、DMA操作函數(shù)

寫一個DMA驅(qū)動的主要工作包括：DMA通道申請、DMA中斷申請、控制寄存器設(shè)置、掛入DMA等待隊列、清除DMA中斷、釋放DMA通道

因為 DMA 控制器是一個系統(tǒng)級的資源，所以內(nèi)核協(xié)助處理這一資源。內(nèi)核使用DMA 注冊表為 DMA 通道提供了請求/釋放機制，并且提供了一組函數(shù)在 DMA 控制器中配置通道信息。

以下具體分析關(guān)鍵函數(shù)（linux/arch/arm/mach-s3c2410/dma.c）

四、DMA映射

一個DMA映射就是分配一個 DMA 緩沖區(qū)并為該緩沖區(qū)生成一個能夠被設(shè)備訪問的地址的組合操作。一般情況下，簡單地調(diào)用函數(shù)virt_to_bus 就設(shè)備總線上的地址，但有些硬件映射寄存器也被設(shè)置在總線硬件中。映射寄存器（mapping register）是一個類似于外圍設(shè)備的虛擬內(nèi)存等價物。在使用這些寄存器的系統(tǒng)上，外圍設(shè)備有一個相對較小的、專用的地址區(qū)段，可以在此區(qū)段執(zhí)行 DMA。通過映射寄存器，這些地址被重映射到系統(tǒng) RAM。映射寄存器具有一些好的特性，包括使分散的頁面在設(shè)備地址空間看起來是連續(xù)的。但不是所有的體系結(jié)構(gòu)都有映射寄存器，特別地，PC 平臺沒有映射寄存器。

在某些情況下，為設(shè)備設(shè)置有用的地址也意味著需要構(gòu)造一個反彈（bounce）緩沖區(qū)。例如，當(dāng)驅(qū)動程序試圖在一個不能被外圍設(shè)備訪問的地址（一個高端內(nèi)存地址）上執(zhí)行 DMA 時，反彈緩沖區(qū)被創(chuàng)建。然后，按照需要，數(shù)據(jù)被復(fù)制到反彈緩沖區(qū)，或者從反彈緩沖區(qū)復(fù)制。

根據(jù) DMA 緩沖區(qū)期望保留的時間長短，PCI 代碼區(qū)分兩種類型的 DMA 映射：

a -- 一致 DMA 映射

它們存在于驅(qū)動程序的生命周期內(nèi)。一個被一致映射的緩沖區(qū)必須同時可被 CPU 和外圍設(shè)備訪問，這個緩沖區(qū)被處理器寫時，可立即被設(shè)備讀取而沒有cache效應(yīng)，反之亦然，使用函數(shù)pci_alloc_consistent建立一致映射。

b -- 流式 DMA映射

流式DMA映射是為單個操作進行的設(shè)置。它映射處理器虛擬空間的一塊地址，以致它能被設(shè)備訪問。應(yīng)盡可能使用流式映射，而不是一致映射。這是因為在支持一致映射的系統(tǒng)上，每個 DMA 映射會使用總線上一個或多個映射寄存器。具有較長生命周期的一致映射，會獨占這些寄存器很長時間――即使它們沒有被使用。使用函數(shù)dma_map_single建立流式映射。

1、建立一致 DMA 映射

函數(shù)pci_alloc_consistent處理緩沖區(qū)的分配和映射，函數(shù)分析如下（在include/asm-generic/pci-dma-compat.h中）：

結(jié)構(gòu)dma_coherent_mem定義了DMA一致性映射的內(nèi)存的地址、大小和標(biāo)識等。結(jié)構(gòu)dma_coherent_mem列出如下（在arch/i386/kernel/pci-dma.c中）：

函數(shù)dma_alloc_coherent分配size字節(jié)的區(qū)域的一致內(nèi)存，得到的dma_handle是指向分配的區(qū)域的地址指針，這個地址作為區(qū)域的物理基地址。dma_handle是與總線一樣的位寬的無符號整數(shù)。 函數(shù)dma_alloc_coherent分析如下（在arch/i386/kernel/pci-dma.c中）：

當(dāng)不再需要緩沖區(qū)時（通常在模塊卸載時），應(yīng)該調(diào)用函數(shù) pci_free_consitent 將它返還給系統(tǒng)。

2、建立流式 DMA 映射

在流式 DMA 映射的操作中，緩沖區(qū)傳送方向應(yīng)匹配于映射時給定的方向值。緩沖區(qū)被映射后，它就屬于設(shè)備而不再屬于處理器了。在緩沖區(qū)調(diào)用函數(shù)pci_unmap_single撤銷映射之前，驅(qū)動程序不應(yīng)該觸及其內(nèi)容。

在緩沖區(qū)為 DMA 映射時，內(nèi)核必須確保緩沖區(qū)中所有的數(shù)據(jù)已經(jīng)被實際寫到內(nèi)存?？赡苡行?shù)據(jù)還會保留在處理器的高速緩沖存儲器中，因此必須顯式刷新。在刷新之后，由處理器寫入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)對設(shè)備來說也許是不可見的。

如果欲映射的緩沖區(qū)位于設(shè)備不能訪問的內(nèi)存區(qū)段時，某些體系結(jié)構(gòu)僅僅會操作失敗，而其它的體系結(jié)構(gòu)會創(chuàng)建一個反彈緩沖區(qū)。反彈緩沖區(qū)是被設(shè)備訪問的獨立內(nèi)存區(qū)域，反彈緩沖區(qū)復(fù)制原始緩沖區(qū)的內(nèi)容。

函數(shù)pci_map_single映射單個用于傳送的緩沖區(qū)，返回值是可以傳遞給設(shè)備的總線地址，如果出錯的話就為 NULL。一旦傳送完成，應(yīng)該使用函數(shù)pci_unmap_single 刪除映射。其中，參數(shù)direction為傳輸?shù)姆较?，取值如下?/p>

PCI_DMA_TODEVICE 數(shù)據(jù)被發(fā)送到設(shè)備。PCI_DMA_FROMDEVICE如果數(shù)據(jù)將發(fā)送到 CPU。PCI_DMA_BIDIRECTIONAL數(shù)據(jù)進行兩個方向的移動。PCI_DMA_NONE 這個符號只是為幫助調(diào)試而提供。

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

函數(shù)dma_map_single映射一塊處理器虛擬內(nèi)存，這塊虛擬內(nèi)存能被設(shè)備訪問，返回內(nèi)存的物理地址，函數(shù)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 映射的一個特例。它將幾個緩沖區(qū)集中到一起進行一次映射，并在一個 DMA 操作中傳送所有數(shù)據(jù)。這些分散的緩沖區(qū)由分散表結(jié)構(gòu)scatterlist來描述，多個分散的緩沖區(qū)的分散表結(jié)構(gòu)組成緩沖區(qū)的struct scatterlist數(shù)組。

分散表結(jié)構(gòu)列出如下（在include/asm-i386/scatterlist.h）：

每一個緩沖區(qū)的地址和長度會被存儲在 struct scatterlist 項中，但在不同的體系結(jié)構(gòu)中它們在結(jié)構(gòu)中的位置是不同的。下面的兩個宏定義來解決平臺移植性問題，這些宏定義應(yīng)該在一個pci_map_sg被調(diào)用后使用：

函數(shù)pci_map_sg完成分散/集中映射，其返回值是要傳送的 DMA 緩沖區(qū)數(shù)；它可能會小于 nents（也就是傳入的分散表項的數(shù)量），因為可能有的緩沖區(qū)地址上是相鄰的。一旦傳輸完成，分散/集中映射通過調(diào)用函數(shù)pci_unmap_sg 來撤銷映射。 函數(shù)pci_map_sg分析如下（在include/asm-generic/pci-dma-compat.h中）：

五、DMA池

許多驅(qū)動程序需要又多又小的一致映射內(nèi)存區(qū)域給DMA描述子或I/O緩存buffer，這使用DMA池比用dma_alloc_coherent分配的一頁或多頁內(nèi)存區(qū)域好，DMA池用函數(shù)dma_pool_create創(chuàng)建，用函數(shù)dma_pool_alloc從DMA池中分配一塊一致內(nèi)存，用函數(shù)dmp_pool_free放內(nèi)存回到DMA池中，使用函數(shù)dma_pool_destory釋放DMA池的資源。

結(jié)構(gòu)dma_pool是DMA池描述結(jié)構(gòu)，列出如下：

函數(shù)dma_pool_create給DMA創(chuàng)建一個一致內(nèi)存塊池，其參數(shù)name是DMA池的名字，用于診斷用，參數(shù)dev是將做DMA的設(shè)備，參數(shù)size是DMA池里的塊的大小，參數(shù)align是塊的對齊要求，是2的冪，參數(shù)allocation返回沒有跨越邊界的塊數(shù)（或0）。

函數(shù)dma_pool_create返回創(chuàng)建的帶有要求字符串的DMA池，若創(chuàng)建失敗返回null。對被給的DMA池，函數(shù)dma_pool_alloc被用來分配內(nèi)存，這些內(nèi)存都是一致DMA映射，可被設(shè)備訪問，且沒有使用緩存刷新機制，因為對齊原因，分配的塊的實際尺寸比請求的大。如果分配非0的內(nèi)存，從函數(shù)dma_pool_alloc返回的對象將不跨越size邊界（如不跨越4K字節(jié)邊界）。這對在個體的DMA傳輸上有地址限制的設(shè)備來說是有利的。

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

函數(shù)dma_pool_alloc從DMA池中分配一塊一致內(nèi)存，其參數(shù)pool是將產(chǎn)生塊的DMA池，參數(shù)mem_flags是GFP_*位掩碼，參數(shù)handle是指向塊的DMA地址，函數(shù)dma_pool_alloc返回當(dāng)前沒用的塊的內(nèi)核虛擬地址，并通過handle給出它的DMA地址，如果內(nèi)存塊不能被分配，返回null。

函數(shù)dma_pool_alloc包裹了dma_alloc_coherent頁分配器，這樣小塊更容易被總線的主控制器使用。這可能共享slab分配器的內(nèi)容。

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

六、一個簡單的使用DMA 例子

示例：下面是一個簡單的使用DMA進行傳輸?shù)尿?qū)動程序，它是一個假想的設(shè)備，只列出DMA相關(guān)的部分來說明驅(qū)動程序中如何使用DMA的。

函數(shù)dad_transfer是設(shè)置DMA對內(nèi)存buffer的傳輸操作函數(shù)，它使用流式映射將buffer的虛擬地址轉(zhuǎn)換到物理地址，設(shè)置好DMA控制器，然后開始傳輸數(shù)據(jù)。

函數(shù)dad_interrupt是中斷處理函數(shù)，當(dāng)DMA傳輸完時，調(diào)用這個中斷函數(shù)來取消buffer上的DMA映射，從而讓內(nèi)核程序可以訪問這個buffer。

函數(shù)dad_open打開設(shè)備，此時應(yīng)申請中斷號及DMA通道

在與open 相對應(yīng)的 close 函數(shù)中應(yīng)該釋放DMA及中斷號。

函數(shù)dad_dma_prepare初始化DMA控制器，設(shè)置DMA控制器的寄存器的值，為 DMA 傳輸作準(zhǔn)備。

函數(shù)dad_dma_isdone用來檢查 DMA 傳輸是否成功結(jié)束。