DMA编程

一、

DMA基础知识：

• 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，从而大大提供系统的吞吐率。
• 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。
• DMA与cache的平衡：按道理DMA与cache并无关联，但是当DMA针对内存的目的地址和Cache缓存的对象具有重叠区域的时候，两者就存在一定的问题。
• 如果有重叠，经过DMA操作之后，cache缓存对应的内存的数据已经被需改，而cpu并不知道，它仍然认为cache中的数据还是内存中的数据。
• 而在之后的访问cache映射的内存时，依然使用旧的cache数据，就会造成cache与内存之间数据不一致性，从而导致驱动无法正常运行。
  HOW？
  如何解决这个问题呢，一般来说会选择直接禁止DMA目标地址范围内内存的cache功能

二、

Linux下DMA编程：
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。
Linux内核提供了简单的虚拟地址/总线地址的转换：

 unsigned long virt_to_bus(volatile void *address);
    void *bus_to_virt(unsigned long address);   
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但是这两个函数通常不建议使用，并且不是所有设备都能在所有的内存地址上执行DMA操作，因此通常会采用下列函数执行DMA地址掩码：

int dma_set_mask(struct device *dev, u64 mask);
//eg：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)
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三、

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。而内核中提供了函数用于分配一个DMA一致性的内存区域：

 void *dma_alloc_coherent(struct device *dev, size_t size, dma_addr_t *handle, gfp_t gfp);
 void dma_free_coherent(struct device *dev, size_t size, void *cpu_addr, dma_addr_t handle);
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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。
以下函数用于分配一个写合并(writecombinbing)的DMA缓冲区：

void *dma_alloc_writecombine(struct device *dev, size_t size, dma_addr_t *handle, gfp_t gfp);
void dma_free_writecombine();//它其实就是dma_free_conherent,只不过是用了#define重命名而已。
//此外，Linux内核还提供了PCI设备申请DMA缓冲区的函数pci_alloc_consistent()：
void *pci_alloc_consistent(struct pci_dev *dev, size_t size, dma_addr_t *dma_addrp);  
void pci_free_consistent(struct pci_dev *pdev, size_t size, void *cpu_addr, dma_addr_t dma_addr);
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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：

void 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;
void dma_unmap_single(struct device *dev,dma_addr_t *dma_addrp,size_t size,enum dma_data_direction direction);
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通常情况下，设备驱动不应该访问unmap()的流式DMA缓冲区，如果非要这么做，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:
 void dma_sync_single_for_device(struct device *dev,dma_handle_t bus_addr, size_t size, enum dma_data_direction direction);
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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:

 int dma_map_sg(struct device *dev,struct scatterlist *sg, int nents,enum dma_data_direction direction); 
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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
}          
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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。
eg：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().

四、

在linux设备驱动中如何使用DMA呢，类似于使用中断一样，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：

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：
void free_dma(unsinged int dmanr);
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Linux设备驱动中DMA相关代码的流程：

• request_dma()并初始化DMAC （在设备驱动模块加载或open()函数中进行）
• 申请DMA缓冲区(在设备驱动模块加载或open()函数中进行)
• 进行DMA传输(在write() read() ioctl()等功能函数中进行)
• 若使能了对应中断，进行DMA传输后的中断处理(在中断处理程序中进行）
• 释放DMA缓冲区 free_dma() (在设备驱动模块卸载或relese()函数中进行 ）