Linux 下的DMA浅析
Linux 下的DMA浅析
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：申请某通道的DMA资源，填充s3c2410_dma_t 数据结构的内容，申请DMA中断。 输入参数：device_id DMA 设备名；channel 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 s3c2410_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，并将它插入DMA等待队列，设置DMA控制寄存器内容，等待DMA操作触发 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：释放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）：
static inline void *pci_alloc_consistent(struct pci_dev *hwdev,
size_t size, dma_addr_t *dma_handle)
{
return dma_alloc_coherent(hwdev == NULL ? NULL : &hwdev->dev,
size, dma_handle, GFP_ATOMIC);
}
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）：
struct dma_coherent_mem {
void *virt_base;
u32 device_base;
int size;
int flags;
unsigned long *bitmap;
};
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）：
void *dma_alloc_coherent(struct device *dev, size_t size,
dma_addr_t *dma_handle, int gfp)
{
void *ret;
//若是设备，得到设备的dma内存区域，即mem= dev->dma_mem
struct dma_coherent_mem *mem = dev ? dev->dma_mem : NULL;
int order = get_order(size);//将size转换成order，即
//忽略特定的区域，因而忽略这两个标识
gfp &= ~(__GFP_DMA | __GFP_HIGHMEM);
if (mem) {//设备的DMA映射，mem= dev->dma_mem
//找到mem对应的页
int page = bitmap_find_free_region(mem->bitmap, mem->size,
order);
if (page >= 0) {
*dma_handle = mem->device_base + (page << PAGE_SHIFT);
ret = mem->virt_base + (page << PAGE_SHIFT);
memset(ret, 0, size);
return ret;
}
if (mem->flags & DMA_MEMORY_EXCLUSIVE)
return NULL;
}
//不是设备的DMA映射
if (dev == NULL || (dev->coherent_dma_mask < 0xffffffff))
gfp |= GFP_DMA;
//分配空闲页
ret = (void *)__get_free_pages(gfp, order);
if (ret != NULL) {
memset(ret, 0, size);//清0
*dma_handle = virt_to_phys(ret);//得到物理地址
}
return ret;
}
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）
static inline dma_addr_t pci_map_single(struct pci_dev *hwdev,
void *ptr, size_t size, int direction)
{
return dma_map_single(hwdev == NULL ? NULL : &hwdev->dev, ptr, size,
(enum ma_data_direction)direction);
}
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）：
static inline dma_addr_t dma_map_single(struct device *dev, void *ptr,
size_t size, enum dma_data_direction direction)
{
BUG_ON(direction == DMA_NONE);
//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
flush_write_buffers();
return virt_to_phys(ptr); //虚拟地址转化为物理地址
}
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）：
struct scatterlist {
struct page *page;
unsigned int offset;
dma_addr_t dma_address; //用在分散/集中操作中的缓冲区地址
unsigned int length;//该缓冲区的长度
};
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：
//从该分散表项中返回总线地址 #define sg_dma_address(sg) ?sg)->dma_address) //返回该缓冲区的长度 #define sg_dma_len(sg) ?sg)->length)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）：
static inline int pci_map_sg(struct pci_dev *hwdev, struct scatterlist *sg,
int nents, int direction)
{
return dma_map_sg(hwdev == NULL ? NULL : &hwdev->dev, sg, nents,
(enum dma_data_direction)direction);
}
include/asm-i386/dma-mapping.h
static inline int dma_map_sg(struct device *dev, struct scatterlist *sg,
int nents, enum dma_data_direction direction)
{
int i;
BUG_ON(direction == DMA_NONE);
for (i = 0; i < nents; i++ ) {
BUG_ON(!sg[i].page);
//将页及页偏移地址转化为物理地址
sg[i].dma_address = page_to_phys(sg[i].page) + sg[i].offset;
}
//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
flush_write_buffers();
return nents;
}
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：
struct dma_pool { /* the pool */
struct list_head page_list;//页链表
spinlock_t lock;
size_t blocks_per_page; //每页的块数
size_t size; //DMA池里的一致内存块的大小
struct device *dev; //将做DMA的设备
size_t allocation; //分配的没有跨越边界的块数，是size的整数倍
char name [32]; //池的名字
wait_queue_head_t waitq; //等待队列
struct list_head pools;
};
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）：
struct dma_pool *dma_pool_create (const char *name, struct device *dev,
size_t size, size_t align, size_t allocation)
{
struct dma_pool *retval;
if (align == 0)
align = 1;
if (size == 0)
return NULL;
else if (size < align)
size = align;
else if ((size % align) != 0) {//对齐处理
size += align + 1;
size &= ~(align - 1);
}
//如果一致内存块比页大，是分配为一致内存块大小，否则，分配为页大小
if (allocation == 0) {
if (PAGE_SIZE < size)//页比一致内存块小
allocation = size;
else
allocation = PAGE_SIZE;//页大小
// FIXME: round up for less fragmentation
} else if (allocation < size)
return NULL;
//分配dma_pool结构对象空间
if (!(retval = kmalloc (sizeof *retval, SLAB_KERNEL)))
return retval;
strlcpy (retval->name, name, sizeof retval->name);
retval->dev = dev;
//初始化dma_pool结构对象retval
INIT_LIST_HEAD (&retval->page_list);//初始化页链表
spin_lock_init (&retval->lock);
retval->size = size;
retval->allocation = allocation;
retval->blocks_per_page = allocation / size;
init_waitqueue_head (&retval->waitq);//初始化等待队列
if (dev) {//设备存在时
down (&pools_lock);
if (list_empty (&dev->dma_pools))
//给设备创建sysfs文件系统属性文件
device_create_file (dev, &dev_attr_pools);
/* note: not currently insisting "name" be unique */
list_add (&retval->pools, &dev->dma_pools); //将DMA池加到dev中
up (&pools_lock);
} else
INIT_LIST_HEAD (&retval->pools);
return retval;
}
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）：
void *dma_pool_alloc (struct dma_pool *pool, int mem_flags, dma_addr_t *handle)
{
unsigned long flags;
struct dma_page *page;
int map, block;
size_t offset;
void *retval;
restart:
spin_lock_irqsave (&pool->lock, flags);
list_for_each_entry(page, &pool->page_list, page_list) {
int i;
/* only cachable accesses here ... */
//遍历一页的每块，而每块又以32字节递增
for (map = 0, i = 0;
i < pool->blocks_per_page; //每页的块数
i += BITS_PER_LONG, map++) { // BITS_PER_LONG定义为32
if (page->bitmap [map] == 0)
continue;
block = ffz (~ page->bitmap [map]);//找出第一个0
if ((i + block) < pool->blocks_per_page) {
clear_bit (block, &page->bitmap [map]);
//得到相对于页边界的偏移
offset = (BITS_PER_LONG * map) + block;
offset *= pool->size;
goto ready;
}
}
}
//给DMA池分配dma_page结构空间，加入到pool->page_list链表，
//并作DMA一致映射，它包括分配给DMA池一页。
// SLAB_ATOMIC表示调用 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。
if (!(page = pool_alloc_page (pool, SLAB_ATOMIC))) {
if (mem_flags & __GFP_WAIT) {
DECLARE_WAITQUEUE (wait, current);
current->state = TASK_INTERRUPTIBLE;
add_wait_queue (&pool->waitq, &wait);
spin_unlock_irqrestore (&pool->lock, flags);
schedule_timeout (POOL_TIMEOUT_JIFFIES);
remove_wait_queue (&pool->waitq, &wait);
goto restart;
}
retval = NULL;
goto done;
}
clear_bit (0, &page->bitmap [0]);
offset = 0;
ready:
page->in_use++;
retval = offset + page->vaddr; //返回虚拟地址
*handle = offset + page->dma; //相对DMA地址
#ifdef CONFIG_DEBUG_SLAB
memset (retval, POOL_POISON_ALLOCATED, pool->size);
#endif
done:
spin_unlock_irqrestore (&pool->lock, flags);
return retval;
}
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。
int dad_transfer(struct dad_dev *dev, int write, void *buffer,
size_t count)
{
dma_addr_t bus_addr;
unsigned long flags;
/* Map the buffer for DMA */
dev->dma_dir = (write ? PCI_DMA_TODEVICE : PCI_DMA_FROMDEVICE);
dev->dma_size = count;
//流式映射，将buffer的虚拟地址转化成物理地址
bus_addr = pci_map_single(dev->pci_dev, buffer, count,
dev->dma_dir);
dev->dma_addr = bus_addr; //DMA传送的buffer物理地址
//将操作控制写入到DMA控制器寄存器，从而建立起设备
writeb(dev->registers.command, DAD_CMD_DISABLEDMA);
//设置传输方向--读还是写
writeb(dev->registers.command, write ? DAD_CMD_WR : DAD_CMD_RD);
writel(dev->registers.addr, cpu_to_le32(bus_addr));//buffer物理地址
writel(dev->registers.len, cpu_to_le32(count)); //传输的字节数
//开始激活DMA进行数据传输操作
writeb(dev->registers.command, DAD_CMD_ENABLEDMA);
return 0;
}
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。
void dad_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)
{
struct dad_dev *dev = (struct dad_dev *) dev_id;
/* Make sure it's really our device interrupting */
/* Unmap the DMA buffer */
pci_unmap_single(dev->pci_dev, dev->dma_addr, dev->dma_size,
dev->dma_dir);
/* Only now is it safe to access the buffer, copy to user, etc. */
...
}
函数dad_open打开设备，此时应申请中断号及DMA通道
int dad_open (struct inode *inode, struct file *filp)
{
struct dad_device *my_device;
// SA_INTERRUPT表示快速中断处理且不支持共享 IRQ 信号线
if ( (error = request_irq(my_device.irq, dad_interrupt,
SA_INTERRUPT, "dad", NULL)) )
return error; /* or implement blocking open */
if ( (error = request_dma(my_device.dma, "dad")) ) {
free_irq(my_device.irq, NULL);
return error; /* or implement blocking open */
}
return 0;
}
在与open 相对应的 close 函数中应该释放DMA及中断号。
void dad_close (struct inode *inode, struct file *filp)
{
struct dad_device *my_device;
free_dma(my_device.dma);
free_irq(my_device.irq, NULL);
……
}
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。
int dad_dma_prepare(int channel, int mode, unsigned int buf,
unsigned int count)
{
unsigned long flags;
flags = claim_dma_lock();
disable_dma(channel);
clear_dma_ff(channel);
set_dma_mode(channel, mode);
set_dma_addr(channel, virt_to_bus(buf));
set_dma_count(channel, count);
enable_dma(channel);
release_dma_lock(flags);
return 0;
}
函数dad_dma_isdone用来检查 DMA 传输是否成功结束。
int dad_dma_isdone(int channel)
{
int residue;
unsigned long flags = claim_dma_lock ();
residue = get_dma_residue(channel);
release_dma_lock(flags);
return (residue == 0);
}
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