[linux驱动][Linux内存]DMA学习笔记一

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1,概念
DMA是一种无须CPU的参与就可以让外设与系统内存之间进行双向数据传输的硬件机制。使用DMA可以是系统CPU从实际的IO数据传输过程中摆脱出来,从而大大提供系统吞吐率。DMA方式的数据传输由DMA控制器(DMAC)控制,在传输期间,CPU可以并发地执行其他任务,当DMA结束后,DMAC通过中断通知CPU数据传输已经结束,然后由CPU执行相应的中断服务程序进行后续处理
 
2,DMA和cache
说到DMA,就会想到Cache,两者本身似乎是好不相关的事物,的确,假设DMA针对内存的目的地址和Cache缓存的对象没有重叠区域,DMA和Cache之间就相安无事,但是,如果有重叠呢,经过DMA操作,Cache缓存对应的内存的数据已经被修改,而CPU本身并不知道,它仍然认为Cache中的数据仍然还是内存中的数据,以后访问Cache映射的内存时,它仍然使用陈旧的Cache数据,这就会发生Cache与内存之间数据“不一致性”的错误。一旦出现这样的情况,没有处理好,驱动就将无法正常运行。那么怎样解决呢?最简单的方法是直接禁止DMA目标地址范围内内存的Cache功能,当然这是牺牲性能的,但却高可靠。不是吗,所以这两者之间究竟怎么平衡,还真不好解决。
 
 3,DMA编程相关
在内存中用于与外设交互数据的一块区域被称作DMA缓冲区,在设备不支持scatter/gatherCSG,分散/聚集操作的情况下,DMA缓冲区必须是物理上联系的。
对于ISA设备而言,其DMA操作只能在16MB以下的内存进行,因此,在使用kmalloc()和__get_free_pages()及其类似函数申请DMA缓冲区时应使用GFP_DMA标志,这样能保证获得的内存是具备DMA能力的。
内核中定义了__get_free_pages()针对DMA的“快捷方式”__get_dma_pages(),它在申请标志中添加了GFP_DMA,如下所示:
  #define __get_dma__pages(gfp_mask, order)  __get_free_pages((gfp_mask) | GFP_DMA, (order))  申请DMA的另外一个函数是dma_mem_alloc()函数,如下所示:

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  1. static unsigned long dma_mem_alloc(int size)  
  2. {  
  3.    int order = get_order(size);    //大小->指数  
  4.    return __get_dma_pages(GFP_KERNEL, order);  
  5. }  


需要说明的是DMA的硬件使用总线地址而非物理地址,总线地址是从设备角度上看到的内存地址,物理地址是从CPU角度上看到的未经转换的内存地址(经过转换的那叫虚拟地址)。在PC上,对于ISA和PCI而言,总线即为物理地址,但并非每个平台都是如此。由于有时候接口总线是通过桥接电路被连接,桥接电路会将IO地址映射为不同的物理地址。例如,在PRep(PowerPC Reference Platform)系统中,物理地址0在设备端看起来是0X80000000,而0通常又被映射为虚拟地址0xC0000000,所以同一地址就具备了三重身份:物理地址0,总线地址0x80000000及虚拟地址0xC0000000,还有一些系统提供了页面映射机制,它能将任意的页面映射为连续的外设总线地址。

 

内核提供了如下函数用于进行简单的虚拟地址/总线地址转换:

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  1. unsigned long virt_to_bus(volatile void *address);  
  2. void *bus_to_virt(unsigned long address);   

需要说明的是设备不一定能在所有的内存地址上执行DMA操作,在这种情况下应该通过下列函数执行DMA地址掩码:

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  1. int dma_set_mask(struct device *dev, u64 mask);  

比如,对于只能在24位地址上执行DMA操作的设备而言,就应该调用dma_set_mask(dev, 0xffffffff).DMA映射包括两个方面的工作:分配一片DMA缓冲区;为这片缓冲区产生设备可访问的地址。结合前面所讲的,DMA映射必须考虑Cache一致性问题。内核中提供了一下函数用于分配一个DMA一致性的内存区域:

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  1. void *dma_alloc_coherent(struct device *dev, size_t size, dma_addr_t *handle, gfp_t gfp);  

这个函数的返回值为申请到的DMA缓冲区的虚拟地址。此外,该函数还通过参数handle返回DMA缓冲区的总线地址。与之对应的释放函数为:

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  1. void dma_free_coherent(struct device *dev, size_t size, void *cpu_addr, dma_addr_t handle);  

以下函数用于分配一个写合并(writecombinbing)的DMA缓冲区:

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  1. void *dma_alloc_writecombine(struct device *dev, size_t size, dma_addr_t *handle, gfp_t gfp);  

与之对应的是释放函数:dma_free_writecombine(),它其实就是dma_free_conherent,只不过是用了#define重命名而已。
 

 

相对于一致性DMA映射而言,流式DMA映射的接口较为复杂。对于单个已经分配的缓冲区而言,使用dma_map_single()可实现流式DMA映射:

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  1. dma_addr_t dma_map_single(struct device *dev, void *buffer, size_t size, enum dma_data_direction direction);    

 

如果映射成功,返回的是总线地址,否则返回NULL.最后一个参数DMA的方向,可能取DMA_TO_DEVICE, DMA_FORM_DEVICE, DMA_BIDIRECTIONAL和DMA_NONE;与之对应的反函数是:

 

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  1. void dma_unmap_single(struct device *dev,dma_addr_t *dma_addrp,size_t size,enum dma_data_direction direction);  

 

通常情况下,设备驱动不应该访问unmap()的流式DMA缓冲区,如果你说我就愿意这么做,我又说写什么呢,选择了权利,就选择了责任,对吧。这时可先使用如下函数获得DMA缓冲区的拥有权:
void dma_sync_single_for_cpu(struct device *dev,dma_handle_t bus_addr, size_t size, enum dma_data_direction direction);在驱动访问完DMA缓冲区后,应该将其所有权还给设备,通过下面的函数:

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  1. void dma_sync_single_for_device(struct device *dev,dma_handle_t bus_addr, size_t size, enum dma_data_direction direction);  

 

如果设备要求较大的DMA缓冲区,在其支持SG模式的情况下,申请多个不连续的,相对较小的DMA缓冲区通常是防止申请太大的连续物理空间的方法,在Linux内核中,使用如下函数映射SG:

 

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  1. int dma_map_sg(struct device *dev,struct scatterlist *sg, int nents,enum dma_data_direction direction);  

 

 其中nents是散列表入口的数量,该函数的返回值是DMA缓冲区的数量,可能小于nents。对于scatterlist中的每个项目,dma_map_sg()为设备产生恰当的总线地址,它会合并物理上临近的内存区域。下面在给出scatterlist结构:
struct scatterlist
{
   struct page *page;    
   unsigned int offset;   //偏移量
   dma_addr_t dma_address;   //总线地址   
   unsigned int length;   //缓冲区长度

执行dma_map_sg()后,通过sg_dma_address()后可返回scatterlist对应缓冲区的总线结构,sg_dma_len()可返回scatterlist对应的缓冲区的长度,这两个函数的原型是:

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  1. dma_addr_t sg_dma_address(struct scatterlist *sg);       unsigned int sg_dma_len(struct scatterlist *sg);  

在DMA传输结束后,可通过dma_map_sg()的反函数dma_unmap_sg()去除DMA映射:
 
void dma_map_sg(struct device *dev, struct scatterlist *sg, int nents, enum dma_data_direction direction);   SG映射属于流式DMA映射,与单一缓冲区情况
下流式DMA映射类似,如果设备驱动一定要访问映射情况下的SG缓冲区,应该先调用如下函数:

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  1. int dma_sync_sg_for_cpu(struct device *dev,struct scatterlist *sg, int nents,enum dma_data_direction direction);  

访问完后,通过下列函数将所有权返回给设备:

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  1. int dma_map_device(struct device *dev,struct scatterlist *sg, int nents,enum dma_data_direction direction);  

Linux系统中可以有一个相对简单的方法预先分配缓冲区,那就是同步“mem=”参数预留内存。例如,对于内存为64MB的系统,通过给其传递mem=62MB命令行参数可以使
得顶部的2MB内存被预留出来作为IO内存使用,这2MB内存可以被静态映射,也可以执行ioremap().

 

 
像使用中断一样,在使用DMA之前,设备驱动程序需要首先向系统申请DMA通道,申请DMA通道的函数如下:

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  1. int request_dma(unsigned int dmanr, const char * device_id);  

 同样的,设备结构体指针可作为传入device_id的最佳参数。使用完DMA通道后,应该使用如下函数释放该通道:

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    1. void free_dma(unsinged int dmanr);  

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