DMA是一種無需CPU的參與就可以讓外設和系統內存之間進行雙向數據傳輸的硬件機制。使用DMA可以使系統CPU從實際的I/O數據傳輸過程中擺脫出來，從而大大提高系統的吞吐率。DMA經常與硬件體系結構特別是外設的總線技術密切相關。
一、DMA控制器硬件結構
DMA允許外圍設備和主內存之間直接傳輸 I/O 數據， DMA 依賴於系統。每一種體系結構DMA傳輸不同，編程接口也不同。
數據傳輸可以以兩種方式觸發：一種軟件請求數據，另一種由硬件異步傳輸。
a -- 軟件請求數據
調用的步驟可以概括如下（以read爲例）：
（1）在進程調用 read 時，驅動程序的方法分配一個 DMA 緩衝區，隨後指示硬件傳送它的數據。進程進入睡眠。
（2）硬件將數據寫入 DMA 緩衝區並在完成時產生一箇中斷。
（3）中斷處理程序獲得輸入數據，應答中斷，最後喚醒進程，該進程現在可以讀取數據了。
b -- 由硬件異步傳輸
在 DMA 被異步使用時發生的。以數據採集設備爲例：
（1）硬件發出中斷來通知新的數據已經到達。
（2）中斷處理程序分配一個DMA緩衝區。
（3）外圍設備將數據寫入緩衝區，然後在完成時發出另一箇中斷。
（4）處理程序利用DMA分發新的數據，喚醒任何相關進程。
網卡傳輸也是如此，網卡有一個循環緩衝區（通常叫做 DMA 環形緩衝區）建立在與處理器共享的內存中。每一個輸入數據包被放置在環形緩衝區中下一個可用緩衝區，並且發出中斷。然後驅動程序將網絡數據包傳給內核的其它部分處理，並在環形緩衝區中放置一個新的 DMA 緩衝區。
驅動程序在初始化時分配DMA緩衝區，並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結構數組表示，這個結構在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保留爲DRAM更新用，DMA4用作級聯。DMA 緩衝區的主要問題是，當它大於一頁時，它必須佔據物理內存中的連續頁。
由於DMA需要連續的內存，因而在引導時分配內存或者爲緩衝區保留物理 RAM 的頂部。在引導時給內核傳遞一個"mem="參數可以保留 RAM 的頂部。例如，如果系統有 32MB 內存，參數"mem=31M"阻止內核使用最頂部的一兆字節。稍後，模塊可以使用下面的代碼來訪問這些保留的內存：
dmabuf = ioremap( 0x1F00000 /* 31M */, 0x100000 /* 1M */);
分配 DMA 空間的方法，代碼調用 kmalloc（GFP_ATOMIC） 直到失敗爲止，然後它等待內核釋放若干頁面，接下來再一次進行分配。最終會發現由連續頁面組成的DMA 緩衝區的出現。
一個使用 DMA 的設備驅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。基於 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。甚至某些系統有一個頁面映射方案，能夠使任意頁面在外圍總線上表現爲連續的。
當驅動程序需要向一個 I/O 設備（例如擴展板或者DMA控制器）發送地址信息時，必須使用 virt_to_bus 轉換，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
寫一個DMA驅動的主要工作包括：DMA通道申請、DMA中斷申請、控制寄存器設置、掛入DMA等待隊列、清除DMA中斷、釋放DMA通道
因爲 DMA 控制器是一個系統級的資源，所以內核協助處理這一資源。內核使用 DMA 註冊表爲 DMA 通道提供了請求/釋放機制，並且提供了一組函數在 DMA 控制器中配置通道信息。
以下具體分析關鍵函數（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);
/*
函數描述：申請某通道的DMA資源，填充s3c2410_dma_t 數據結構的內容，申請DMA中斷。
輸入參數：device_id DMA 設備名；channel 通道號；
write_cb DMA寫操作完成的回調函數；read_cb DMA讀操作完成的回調函數
輸出參數：若channel通道已使用，出錯返回；否則，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);
/*
函數描述：這是DMA操作最關鍵的函數，它完成了一系列動作：分配並初始化一個DMA內核緩衝區控制結構，並將它插入DMA等待隊列，設置DMA控制寄存器內容，等待DMA操作觸發
輸入參數： channel 通道號；buf_id,緩衝區標識
dma_addr_t data DMA數據緩衝區起始物理地址；size DMA數據緩衝區大小；write 是寫還是讀操作
輸出參數：操作成功，返回0；否則，返回錯誤號
*/
int s3c2410_dma_stop(dmach_t channel)
//函數描述：停止DMA操作。
int s3c2410_dma_flush_all(dmach_t channel)
//函數描述：釋放DMA通道所申請的所有內存資源
void s3c2410_free_dma(dmach_t channel)
//函數描述：釋放DMA通道
四、DMA映射
一個DMA映射就是分配一個 DMA 緩衝區併爲該緩衝區生成一個能夠被設備訪問的地址的組合操作。一般情況下，簡單地調用函數virt_to_bus 就設備總線上的地址，但有些硬件映射寄存器也被設置在總線硬件中。映射寄存器（mapping register）是一個類似於外圍設備的虛擬內存等價物。在使用這些寄存器的系統上，外圍設備有一個相對較小的、專用的地址區段，可以在此區段執行 DMA。通過映射寄存器，這些地址被重映射到系統 RAM。映射寄存器具有一些好的特性，包括使分散的頁面在設備地址空間看起來是連續的。但不是所有的體系結構都有映射寄存器，特別地，PC 平臺沒有映射寄存器。
在某些情況下，爲設備設置有用的地址也意味着需要構造一個反彈（bounce）緩衝區。例如，當驅動程序試圖在一個不能被外圍設備訪問的地址（一個高端內存地址）上執行 DMA 時，反彈緩衝區被創建。然後，按照需要，數據被複制到反彈緩衝區，或者從反彈緩衝區複製。
根據 DMA 緩衝區期望保留的時間長短，PCI 代碼區分兩種類型的 DMA 映射：
a -- 一致 DMA 映射
它們存在於驅動程序的生命週期內。一個被一致映射的緩衝區必須同時可被 CPU 和外圍設備訪問，這個緩衝區被處理器寫時，可立即被設備讀取而沒有cache效應，反之亦然，使用函數pci_alloc_consistent建立一致映射。
b -- 流式 DMA映射
流式DMA映射是爲單個操作進行的設置。它映射處理器虛擬空間的一塊地址，以致它能被設備訪問。應儘可能使用流式映射，而不是一致映射。這是因爲在支持一致映射的系統上，每個 DMA 映射會使用總線上一個或多個映射寄存器。具有較長生命週期的一致映射，會獨佔這些寄存器很長時間――即使它們沒有被使用。使用函數dma_map_single建立流式映射。
1、建立一致 DMA 映射
函數pci_alloc_consistent處理緩衝區的分配和映射，函數分析如下（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);
}
結構dma_coherent_mem定義了DMA一致性映射的內存的地址、大小和標識等。結構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;
};
函數dma_alloc_coherent分配size字節的區域的一致內存，得到的dma_handle是指向分配的區域的地址指針，這個地址作爲區域的物理基地址。dma_handle是與總線一樣的位寬的無符號整數。 函數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;
//若是設備，得到設備的dma內存區域，即mem= dev->dma_mem
struct dma_coherent_mem *mem = dev ? dev->dma_mem : NULL;
int order = get_order(size);//將size轉換成order，即
//忽略特定的區域，因而忽略這兩個標識
gfp &= ~(__GFP_DMA | __GFP_HIGHMEM);
if (mem) {//設備的DMA映射，mem= dev->dma_mem
//找到mem對應的頁
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;
}
//不是設備的DMA映射
if (dev == NULL || (dev->coherent_dma_mask < 0xffffffff))
gfp |= GFP_DMA;
//分配空閒頁
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;
}
當不再需要緩衝區時（通常在模塊卸載時），應該調用函數 pci_free_consitent 將它返還給系統。
2、建立流式 DMA 映射
在流式 DMA 映射的操作中，緩衝區傳送方向應匹配於映射時給定的方向值。緩衝區被映射後，它就屬於設備而不再屬於處理器了。在緩衝區調用函數pci_unmap_single撤銷映射之前，驅動程序不應該觸及其內容。
在緩衝區爲 DMA 映射時，內核必須確保緩衝區中所有的數據已經被實際寫到內存。可能有些數據還會保留在處理器的高速緩衝存儲器中，因此必須顯式刷新。在刷新之後，由處理器寫入緩衝區的數據對設備來說也許是不可見的。
如果欲映射的緩衝區位於設備不能訪問的內存區段時，某些體系結構僅僅會操作失敗，而其它的體系結構會創建一個反彈緩衝區。反彈緩衝區是被設備訪問的獨立內存區域，反彈緩衝區複製原始緩衝區的內容。
函數pci_map_single映射單個用於傳送的緩衝區，返回值是可以傳遞給設備的總線地址，如果出錯的話就爲 NULL。一旦傳送完成，應該使用函數pci_unmap_single 刪除映射。其中，參數direction爲傳輸的方向，取值如下：
PCI_DMA_TODEVICE 數據被髮送到設備。
PCI_DMA_FROMDEVICE如果數據將發送到 CPU。
PCI_DMA_BIDIRECTIONAL數據進行兩個方向的移動。
PCI_DMA_NONE 這個符號只是爲幫助調試而提供。
函數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);
}
函數dma_map_single映射一塊處理器虛擬內存，這塊虛擬內存能被設備訪問，返回內存的物理地址，函數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);
//可能有些數據還會保留在處理器的高速緩衝存儲器中，因此必須顯式刷新
flush_write_buffers();
return virt_to_phys(ptr); //虛擬地址轉化爲物理地址
}
3、分散/集中映射
分散/集中映射是流式 DMA 映射的一個特例。它將幾個緩衝區集中到一起進行一次映射，並在一個 DMA 操作中傳送所有數據。這些分散的緩衝區由分散表結構scatterlist來描述，多個分散的緩衝區的分散表結構組成緩衝區的struct scatterlist數組。
分散表結構列出如下（在include/asm-i386/scatterlist.h）：
struct scatterlist {
struct page *page;
unsigned int offset;
dma_addr_t dma_address; //用在分散/集中操作中的緩衝區地址
unsigned int length;//該緩衝區的長度
};
每一個緩衝區的地址和長度會被存儲在 struct scatterlist 項中，但在不同的體系結構中它們在結構中的位置是不同的。下面的兩個宏定義來解決平臺移植性問題，這些宏定義應該在一個pci_map_sg 被調用後使用：
//從該分散表項中返回總線地址
#define sg_dma_address(sg) �sg)->dma_address)
//返回該緩衝區的長度
#define sg_dma_len(sg) �sg)->length)
函數pci_map_sg完成分散/集中映射，其返回值是要傳送的 DMA 緩衝區數；它可能會小於 nents（也就是傳入的分散表項的數量），因爲可能有的緩衝區地址上是相鄰的。一旦傳輸完成，分散/集中映射通過調用函數pci_unmap_sg 來撤銷映射。 函數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);
//將頁及頁偏移地址轉化爲物理地址
sg[i].dma_address = page_to_phys(sg[i].page) + sg[i].offset;
}
//可能有些數據還會保留在處理器的高速緩衝存儲器中，因此必須顯式刷新
flush_write_buffers();
return nents;
}
五、DMA池
許多驅動程序需要又多又小的一致映射內存區域給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存區域好，DMA池用函數dma_pool_create創建，用函數dma_pool_alloc從DMA池中分配一塊一致內存，用函數dmp_pool_free放內存回到DMA池中，使用函數dma_pool_destory釋放DMA池的資源。
結構dma_pool是DMA池描述結構，列出如下：
struct dma_pool { /* the pool */
struct list_head page_list;//頁鏈表
spinlock_t lock;
size_t blocks_per_page; //每頁的塊數
size_t size; //DMA池裏的一致內存塊的大小
struct device *dev; //將做DMA的設備
size_t allocation; //分配的沒有跨越邊界的塊數，是size的整數倍
char name [32]; //池的名字
wait_queue_head_t waitq; //等待隊列
struct list_head pools;
};
函數dma_pool_create給DMA創建一個一致內存塊池，其參數name是DMA池的名字，用於診斷用，參數dev是將做DMA的設備，參數size是DMA池裏的塊的大小，參數align是塊的對齊要求，是2的冪，參數allocation返回沒有跨越邊界的塊數（或0）。
函數dma_pool_create返回創建的帶有要求字符串的DMA池，若創建失敗返回null。對被給的DMA池，函數dma_pool_alloc被用來分配內存，這些內存都是一致DMA映射，可被設備訪問，且沒有使用緩存刷新機制，因爲對齊原因，分配的塊的實際尺寸比請求的大。如果分配非0的內存，從函數dma_pool_alloc返回的對象將不跨越size邊界（如不跨越4K字節邊界）。這對在個體的DMA傳輸上有地址限制的設備來說是有利的。
函數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) {//對齊處理
size += align + 1;
size &= ~(align - 1);
}
//如果一致內存塊比頁大，是分配爲一致內存塊大小，否則，分配爲頁大小
if (allocation == 0) {
if (PAGE_SIZE < size)//頁比一致內存塊小
allocation = size;
else
allocation = PAGE_SIZE;//頁大小
// FIXME: round up for less fragmentation
} else if (allocation < size)
return NULL;
//分配dma_pool結構對象空間
if (!(retval = kmalloc (sizeof *retval, SLAB_KERNEL)))
return retval;
strlcpy (retval->name, name, sizeof retval->name);
retval->dev = dev;
//初始化dma_pool結構對象retval
INIT_LIST_HEAD (&retval->page_list);//初始化頁鏈表
spin_lock_init (&retval->lock);
retval->size = size;
retval->allocation = allocation;
retval->blocks_per_page = allocation / size;
init_waitqueue_head (&retval->waitq);//初始化等待隊列
if (dev) {//設備存在時
down (&pools_lock);
if (list_empty (&dev->dma_pools))
//給設備創建sysfs文件系統屬性文件
device_create_file (dev, &dev_attr_pools);
/* note: not currently insisting "name" be unique */
list_add (&retval->pools, &dev->dma_pools); //將DMA池加到dev中
up (&pools_lock);
} else
INIT_LIST_HEAD (&retval->pools);
return retval;
}
函數dma_pool_alloc從DMA池中分配一塊一致內存，其參數pool是將產生塊的DMA池，參數mem_flags是GFP_*位掩碼，參數handle是指向塊的DMA地址，函數dma_pool_alloc返回當前沒用的塊的內核虛擬地址，並通過handle給出它的DMA地址，如果內存塊不能被分配，返回null。
函數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分配器的內容。
函數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 ... */
//遍歷一頁的每塊，而每塊又以32字節遞增
for (map = 0, i = 0;
i < pool->blocks_per_page; //每頁的塊數
i += BITS_PER_LONG, map++) { // BITS_PER_LONG定義爲32
if (page->bitmap [map] == 0)
continue;
block = ffz (~ page->bitmap [map]);//找出第一個0
if ((i + block) < pool->blocks_per_page) {
clear_bit (block, &page->bitmap [map]);
//得到相對於頁邊界的偏移
offset = (BITS_PER_LONG * map) + block;
offset *= pool->size;
goto ready;
}
}
}
//給DMA池分配dma_page結構空間，加入到pool->page_list鏈表，
//並作DMA一致映射，它包括分配給DMA池一頁。
// SLAB_ATOMIC表示調用 kmalloc（GFP_ATOMIC） 直到失敗爲止，
//然後它等待內核釋放若干頁面，接下來再一次進行分配。
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; //返回虛擬地址
*handle = offset + page->dma; //相對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進行傳輸的驅動程序，它是一個假想的設備，只列出DMA相關的部分來說明驅動程序中如何使用DMA的。
函數dad_transfer是設置DMA對內存buffer的傳輸操作函數，它使用流式映射將buffer的虛擬地址轉換到物理地址，設置好DMA控制器，然後開始傳輸數據。
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，將buffer的虛擬地址轉化成物理地址
bus_addr = pci_map_single(dev->pci_dev, buffer, count,
dev->dma_dir);
dev->dma_addr = bus_addr; //DMA傳送的buffer物理地址
//將操作控制寫入到DMA控制器寄存器，從而建立起設備
writeb(dev->registers.command, DAD_CMD_DISABLEDMA);
//設置傳輸方向--讀還是寫
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)); //傳輸的字節數
//開始激活DMA進行數據傳輸操作
writeb(dev->registers.command, DAD_CMD_ENABLEDMA);
return 0;
}
函數dad_interrupt是中斷處理函數，當DMA傳輸完時，調用這個中斷函數來取消buffer上的DMA映射，從而讓內核程序可以訪問這個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. */
...
}
函數dad_open打開設備，此時應申請中斷號及DMA通道
int dad_open (struct inode *inode, struct file *filp)
{
struct dad_device *my_device;
// SA_INTERRUPT表示快速中斷處理且不支持共享 IRQ 信號線
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;
}
在與open 相對應的 close 函數中應該釋放DMA及中斷號。
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);
……
}
函數dad_dma_prepare初始化DMA控制器，設置DMA控制器的寄存器的值，爲 DMA 傳輸作準備。
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;
}
函數dad_dma_isdone用來檢查 DMA 傳輸是否成功結束。
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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