Linux驅動技術(三) _DMA編程

DMA即Direct Memory Access，是一種容許外設直接存取內存數據而沒有CPU參與的技術，當外設對於該塊內存的讀寫完成以後，DMAC經過中斷通知CPU，這種技術多用於對數據量和數據傳輸速度都有很高要求的外設控制，好比顯示設備等。

DMA和Cache一致性

咱們知道，爲了提升系統運行效率，現代的CPU都採用多級緩存結構，其中就包括使用多級Cache技術來緩存內存中的數據來緩解CPU和內存速度差別問題。在這種前提下，顯而易見，若是DMA內存的數據已經被Cache緩存了，而外設又修改了其中的數據，這就會形成Cache數據和內存數據不匹配的問題，即DMA與Cache的一致性問題。爲了解決這個問題，最簡單的辦法就是禁掉對DMA內存的Cache功能，顯然，這會致使性能的下降

虛擬地址 VS 物理地址 VS 總線地址

在有MMU的計算機中，CPU看到的是虛擬地址，發給MMU後轉換成物理地址，虛擬地址再通過相應的電路轉換成總線地址，就是外設看到的地址。因此，DMA外設看到的地址實際上是總線地址。Linux內核提供了相應的API來實現三種地址間的轉換:

//虛擬->物理
virt_to_phys()
//物理->虛擬
ioremap()

//虛擬->總線
virt_to_bus()
//總線->虛擬
bus_to_virt()

DMA地址掩碼

DMA外設並不必定能在全部的內存地址上執行DMA操做，此時應該使用DMA地址掩碼

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

好比一個只能訪問24位地址的DMA外設，就使用dma_set_mask(dev,0xffffff)

編程流程

下面是在內核程序中使用DMA內存的流程：

一致性DMA

若是在驅動中使用DMA緩衝區，可使用內核提供的已經考慮到一致性的API:

/**
 * request_dma - 申請DMA通道
 * On certain platforms, we have to allocate an interrupt as well...
 */
int request_dma(unsigned int chan, const char *device_id);


/**
 * dma_alloc_coherent - allocate consistent memory for DMA
 * @dev: valid struct device pointer, or NULL for ISA and EISA-like devices
 * @size: required memory size
 * @handle: bus-specific DMA address *
 * Allocate some memory for a device for performing DMA.  This function
 * allocates pages, and will return the CPU-viewed address, and sets @handle
 * to be the device-viewed address.
 */
void * dma_alloc_coherent(struct device *dev, size_t size, dma_addr_t *dma_handle, gfp_t flag)

//申請PCI設備的DMA緩衝區
void *pci_alloc_consistent(struct pci_dev *hwdev, size_t size, dma_addr_t *dma_handle)


//釋放DMA緩衝區
void dma_free_coherent(struct device *dev, size_t size, void *cpu_addr, dma_addr_t dma_handle )

//釋放PCI設備的DMA緩衝區
void pci_free_consistent()

/**
 * free_dma - 釋放DMA通道
 * On certain platforms, we have to free interrupt as well...
 */
void free_dma(unsigned int chan);

流式DMA

若是使用應用層的緩衝區創建的DMA申請而不是驅動中的緩衝區，可能僅僅使用kmalloc等函數進行申請，那麼就須要使用流式DMA緩衝區，此外，還要解決Cache一致性的問題。

/**
 * request_dma - 申請DMA通道
 * On certain platforms, we have to allocate an interrupt as well...
 */
int request_dma(unsigned int chan, const char *device_id);

//映射流式DMA
dma_addr_t dma_map_single(struct device *dev,void *buf, size_t size, enum dma_datadirection direction);

//驅動得到DMA擁有權，一般驅動不應這麼作
void dma_sync_single_for_cpu(struct device *dev,dma_addr_t dma_handle_t bus_addr,size_t size, enum dma_data_direction direction);

//將DMA擁有權還給設備
void dma_sync_single_for_device(struct device *dev,dma_addr_t dma_handle_t bus_addr,size_t size, enum dma_data_direction direction);

//去映射流式DMA
dma_addr_t dma_unmap_single(struct device *dev,void *buf, size_t size, enum dma_datadirection direction);

/**
 * free_dma - 釋放DMA通道
 * On certain platforms, we have to free interrupt as well...
 */
void free_dma(unsigned int chan);