DMA是一種無(wú)需CPU的參與就可以讓外設(shè)和系統(tǒng)內(nèi)存之間進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布C(jī)制。使用DMA可以使系統(tǒng)CPU從實(shí)際的I/O數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中擺脫出來(lái)，從而大大提高系統(tǒng)的吞吐率。DMA經(jīng)常與硬件體系結(jié)構(gòu)特別是外設(shè)的總線(xiàn)技術(shù)密切相關(guān)。

一、DMA控制器硬件結(jié)構(gòu)

DMA允許外圍設(shè)備和主內(nèi)存之間直接傳輸 I/O 數(shù)據(jù)， DMA 依賴(lài)于系統(tǒng)。每一種體系結(jié)構(gòu)DMA傳輸不同，編程接口也不同。

數(shù)據(jù)傳輸可以以?xún)煞N方式觸發(fā)：一種軟件請(qǐng)求數(shù)據(jù)，另一種由硬件異步傳輸。

a --軟件請(qǐng)求數(shù)據(jù)

調(diào)用的步驟可以概括如下（以read為例）：

（1）在進(jìn)程調(diào)用 read 時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序的方法分配一個(gè) DMA 緩沖區(qū)，隨后指示硬件傳送它的數(shù)據(jù)。進(jìn)程進(jìn)入睡眠。（2）硬件將數(shù)據(jù)寫(xiě)入 DMA 緩沖區(qū)并在完成時(shí)產(chǎn)生一個(gè)中斷。

（3）中斷處理程序獲得輸入數(shù)據(jù)，應(yīng)答中斷，最后喚醒進(jìn)程，該進(jìn)程現(xiàn)在可以讀取數(shù)據(jù)了。

b --由硬件異步傳輸

在 DMA 被異步使用時(shí)發(fā)生的。以數(shù)據(jù)采集設(shè)備為例：

（1）硬件發(fā)出中斷來(lái)通知新的數(shù)據(jù)已經(jīng)到達(dá)。（2）中斷處理程序分配一個(gè)DMA緩沖區(qū)。（3）外圍設(shè)備將數(shù)據(jù)寫(xiě)入緩沖區(qū)，然后在完成時(shí)發(fā)出另一個(gè)中斷。（4）處理程序利用DMA分發(fā)新的數(shù)據(jù)，喚醒任何相關(guān)進(jìn)程。

網(wǎng)卡傳輸也是如此，網(wǎng)卡有一個(gè)循環(huán)緩沖區(qū)（通常叫做 DMA 環(huán)形緩沖區(qū)）建立在與處理器共享的內(nèi)存中。每一個(gè)輸入數(shù)據(jù)包被放置在環(huán)形緩沖區(qū)中下一個(gè)可用緩沖區(qū)，并且發(fā)出中斷。然后驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包傳給內(nèi)核的其它部分處理，并在環(huán)形緩沖區(qū)中放置一個(gè)新的 DMA 緩沖區(qū)。

驅(qū)動(dòng)程序在初始化時(shí)分配DMA緩沖區(qū)，并使用它們直到停止運(yùn)行。

二、DMA通道使用的地址

DMA通道用dma_chan結(jié)構(gòu)數(shù)組表示，這個(gè)結(jié)構(gòu)在kernel/dma.c中，列出如下：

如果dma_chan_busy[n].lock != 0表示忙，DMA0保留為DRAM更新用，DMA4用作級(jí)聯(lián)。DMA 緩沖區(qū)的主要問(wèn)題是，當(dāng)它大于一頁(yè)時(shí)，它必須占據(jù)物理內(nèi)存中的連續(xù)頁(yè)。

由于DMA需要連續(xù)的內(nèi)存，因而在引導(dǎo)時(shí)分配內(nèi)存或者為緩沖區(qū)保留物理 RAM 的頂部。在引導(dǎo)時(shí)給內(nèi)核傳遞一個(gè)"mem="參數(shù)可以保留 RAM 的頂部。例如，如果系統(tǒng)有 32MB 內(nèi)存，參數(shù)"mem=31M"阻止內(nèi)核使用最頂部的一兆字節(jié)。稍后，模塊可以使用下面的代碼來(lái)訪(fǎng)問(wèn)這些保留的內(nèi)存：

dmabuf = ioremap( 0x1F00000 /* 31M */, 0x100000 /* 1M */);

分配 DMA 空間的方法，代碼調(diào)用kmalloc（GFP_ATOMIC）直到失敗為止，然后它等待內(nèi)核釋放若干頁(yè)面，接下來(lái)再一次進(jìn)行分配。最終會(huì)發(fā)現(xiàn)由連續(xù)頁(yè)面組成的DMA 緩沖區(qū)的出現(xiàn)。

一個(gè)使用 DMA 的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通常會(huì)與連接到接口總線(xiàn)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。基于 DMA 的硬件使用總線(xiàn)地址而不是物理地址，有時(shí)，接口總線(xiàn)是通過(guò)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(tǒng)有一個(gè)頁(yè)面映射方案，能夠使任意頁(yè)面在外圍總線(xiàn)上表現(xiàn)為連續(xù)的。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序需要向一個(gè) I/O 設(shè)備（例如擴(kuò)展板或者DMA控制器）發(fā)送地址信息時(shí)，必須使用 virt_to_bus 轉(zhuǎn)換，在接受到來(lái)自連接到總線(xiàn)上硬件的地址信息時(shí)，必須使用 bus_to_virt 了。

三、DMA操作函數(shù)

寫(xiě)一個(gè)DMA驅(qū)動(dòng)的主要工作包括：DMA通道申請(qǐng)、DMA中斷申請(qǐng)、控制寄存器設(shè)置、掛入DMA等待隊(duì)列、清除DMA中斷、釋放DMA通道

因?yàn)?DMA 控制器是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的資源，所以?xún)?nèi)核協(xié)助處理這一資源。內(nèi)核使用DMA 注冊(cè)表為 DMA 通道提供了請(qǐng)求/釋放機(jī)制，并且提供了一組函數(shù)在 DMA 控制器中配置通道信息。

以下具體分析關(guān)鍵函數(shù)（linux/arch/arm/mach-s3c2410/dma.c）

四、DMA映射

一個(gè)DMA映射就是分配一個(gè) DMA 緩沖區(qū)并為該緩沖區(qū)生成一個(gè)能夠被設(shè)備訪(fǎng)問(wèn)的地址的組合操作。一般情況下，簡(jiǎn)單地調(diào)用函數(shù)virt_to_bus 就設(shè)備總線(xiàn)上的地址，但有些硬件映射寄存器也被設(shè)置在總線(xiàn)硬件中。映射寄存器（mapping register）是一個(gè)類(lèi)似于外圍設(shè)備的虛擬內(nèi)存等價(jià)物。在使用這些寄存器的系統(tǒng)上，外圍設(shè)備有一個(gè)相對(duì)較小的、專(zhuān)用的地址區(qū)段，可以在此區(qū)段執(zhí)行 DMA。通過(guò)映射寄存器，這些地址被重映射到系統(tǒng) RAM。映射寄存器具有一些好的特性，包括使分散的頁(yè)面在設(shè)備地址空間看起來(lái)是連續(xù)的。但不是所有的體系結(jié)構(gòu)都有映射寄存器，特別地，PC 平臺(tái)沒(méi)有映射寄存器。

在某些情況下，為設(shè)備設(shè)置有用的地址也意味著需要構(gòu)造一個(gè)反彈（bounce）緩沖區(qū)。例如，當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序試圖在一個(gè)不能被外圍設(shè)備訪(fǎng)問(wèn)的地址（一個(gè)高端內(nèi)存地址）上執(zhí)行 DMA 時(shí)，反彈緩沖區(qū)被創(chuàng)建。然后，按照需要，數(shù)據(jù)被復(fù)制到反彈緩沖區(qū)，或者從反彈緩沖區(qū)復(fù)制。

根據(jù) DMA 緩沖區(qū)期望保留的時(shí)間長(zhǎng)短，PCI 代碼區(qū)分兩種類(lèi)型的 DMA 映射：

a -- 一致 DMA 映射

它們存在于驅(qū)動(dòng)程序的生命周期內(nèi)。一個(gè)被一致映射的緩沖區(qū)必須同時(shí)可被 CPU 和外圍設(shè)備訪(fǎng)問(wèn)，這個(gè)緩沖區(qū)被處理器寫(xiě)時(shí)，可立即被設(shè)備讀取而沒(méi)有cache效應(yīng)，反之亦然，使用函數(shù)pci_alloc_consistent建立一致映射。

b -- 流式 DMA映射

流式DMA映射是為單個(gè)操作進(jìn)行的設(shè)置。它映射處理器虛擬空間的一塊地址，以致它能被設(shè)備訪(fǎng)問(wèn)。應(yīng)盡可能使用流式映射，而不是一致映射。這是因?yàn)樵谥С忠恢掠成涞南到y(tǒng)上，每個(gè) DMA 映射會(huì)使用總線(xiàn)上一個(gè)或多個(gè)映射寄存器。具有較長(zhǎng)生命周期的一致映射，會(huì)獨(dú)占這些寄存器很長(zhǎng)時(shí)間――即使它們沒(méi)有被使用。使用函數(shù)dma_map_single建立流式映射。

1、建立一致 DMA 映射

函數(shù)pci_alloc_consistent處理緩沖區(qū)的分配和映射，函數(shù)分析如下（在include/asm-generic/pci-dma-compat.h中）：

結(jié)構(gòu)dma_coherent_mem定義了DMA一致性映射的內(nèi)存的地址、大小和標(biāo)識(shí)等。結(jié)構(gòu)dma_coherent_mem列出如下（在arch/i386/kernel/pci-dma.c中）：

函數(shù)dma_alloc_coherent分配size字節(jié)的區(qū)域的一致內(nèi)存，得到的dma_handle是指向分配的區(qū)域的地址指針，這個(gè)地址作為區(qū)域的物理基地址。dma_handle是與總線(xiàn)一樣的位寬的無(wú)符號(hào)整數(shù)。 函數(shù)dma_alloc_coherent分析如下（在arch/i386/kernel/pci-dma.c中）：

當(dāng)不再需要緩沖區(qū)時(shí)（通常在模塊卸載時(shí)），應(yīng)該調(diào)用函數(shù) pci_free_consitent 將它返還給系統(tǒng)。

2、建立流式 DMA 映射

在流式 DMA 映射的操作中，緩沖區(qū)傳送方向應(yīng)匹配于映射時(shí)給定的方向值。緩沖區(qū)被映射后，它就屬于設(shè)備而不再屬于處理器了。在緩沖區(qū)調(diào)用函數(shù)pci_unmap_single撤銷(xiāo)映射之前，驅(qū)動(dòng)程序不應(yīng)該觸及其內(nèi)容。

在緩沖區(qū)為 DMA 映射時(shí)，內(nèi)核必須確保緩沖區(qū)中所有的數(shù)據(jù)已經(jīng)被實(shí)際寫(xiě)到內(nèi)存。可能有些數(shù)據(jù)還會(huì)保留在處理器的高速緩沖存儲(chǔ)器中，因此必須顯式刷新。在刷新之后，由處理器寫(xiě)入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備來(lái)說(shuō)也許是不可見(jiàn)的。

如果欲映射的緩沖區(qū)位于設(shè)備不能訪(fǎng)問(wèn)的內(nèi)存區(qū)段時(shí)，某些體系結(jié)構(gòu)僅僅會(huì)操作失敗，而其它的體系結(jié)構(gòu)會(huì)創(chuàng)建一個(gè)反彈緩沖區(qū)。反彈緩沖區(qū)是被設(shè)備訪(fǎng)問(wèn)的獨(dú)立內(nèi)存區(qū)域，反彈緩沖區(qū)復(fù)制原始緩沖區(qū)的內(nèi)容。

函數(shù)pci_map_single映射單個(gè)用于傳送的緩沖區(qū)，返回值是可以傳遞給設(shè)備的總線(xiàn)地址，如果出錯(cuò)的話(huà)就為 NULL。一旦傳送完成，應(yīng)該使用函數(shù)pci_unmap_single 刪除映射。其中，參數(shù)direction為傳輸?shù)姆较颍≈等缦拢?/p>

PCI_DMA_TODEVICE 數(shù)據(jù)被發(fā)送到設(shè)備。PCI_DMA_FROMDEVICE如果數(shù)據(jù)將發(fā)送到 CPU。PCI_DMA_BIDIRECTIONAL數(shù)據(jù)進(jìn)行兩個(gè)方向的移動(dòng)。PCI_DMA_NONE 這個(gè)符號(hào)只是為幫助調(diào)試而提供。

函數(shù)pci_map_single分析如下（在arch/i386/kernel/pci-dma.c中）

函數(shù)dma_map_single映射一塊處理器虛擬內(nèi)存，這塊虛擬內(nèi)存能被設(shè)備訪(fǎng)問(wèn)，返回內(nèi)存的物理地址，函數(shù)dma_map_single分析如下（在include/asm-i386/dma-mapping.h中）：

3、分散/集中映射

分散/集中映射是流式 DMA 映射的一個(gè)特例。它將幾個(gè)緩沖區(qū)集中到一起進(jìn)行一次映射，并在一個(gè) DMA 操作中傳送所有數(shù)據(jù)。這些分散的緩沖區(qū)由分散表結(jié)構(gòu)scatterlist來(lái)描述，多個(gè)分散的緩沖區(qū)的分散表結(jié)構(gòu)組成緩沖區(qū)的struct scatterlist數(shù)組。

分散表結(jié)構(gòu)列出如下（在include/asm-i386/scatterlist.h）：

每一個(gè)緩沖區(qū)的地址和長(zhǎng)度會(huì)被存儲(chǔ)在 struct scatterlist 項(xiàng)中，但在不同的體系結(jié)構(gòu)中它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)中的位置是不同的。下面的兩個(gè)宏定義來(lái)解決平臺(tái)移植性問(wèn)題，這些宏定義應(yīng)該在一個(gè)pci_map_sg被調(diào)用后使用：

函數(shù)pci_map_sg完成分散/集中映射，其返回值是要傳送的 DMA 緩沖區(qū)數(shù)；它可能會(huì)小于 nents（也就是傳入的分散表項(xiàng)的數(shù)量），因?yàn)榭赡苡械木彌_區(qū)地址上是相鄰的。一旦傳輸完成，分散/集中映射通過(guò)調(diào)用函數(shù)pci_unmap_sg 來(lái)撤銷(xiāo)映射。 函數(shù)pci_map_sg分析如下（在include/asm-generic/pci-dma-compat.h中）：

五、DMA池

許多驅(qū)動(dòng)程序需要又多又小的一致映射內(nèi)存區(qū)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(yè)或多頁(yè)內(nèi)存區(qū)域好，DMA池用函數(shù)dma_pool_create創(chuàng)建，用函數(shù)dma_pool_alloc從DMA池中分配一塊一致內(nèi)存，用函數(shù)dmp_pool_free放內(nèi)存回到DMA池中，使用函數(shù)dma_pool_destory釋放DMA池的資源。

結(jié)構(gòu)dma_pool是DMA池描述結(jié)構(gòu)，列出如下：

函數(shù)dma_pool_create給DMA創(chuàng)建一個(gè)一致內(nèi)存塊池，其參數(shù)name是DMA池的名字，用于診斷用，參數(shù)dev是將做DMA的設(shè)備，參數(shù)size是DMA池里的塊的大小，參數(shù)align是塊的對(duì)齊要求，是2的冪，參數(shù)allocation返回沒(méi)有跨越邊界的塊數(shù)（或0）。

函數(shù)dma_pool_create返回創(chuàng)建的帶有要求字符串的DMA池，若創(chuàng)建失敗返回null。對(duì)被給的DMA池，函數(shù)dma_pool_alloc被用來(lái)分配內(nèi)存，這些內(nèi)存都是一致DMA映射，可被設(shè)備訪(fǎng)問(wèn)，且沒(méi)有使用緩存刷新機(jī)制，因?yàn)閷?duì)齊原因，分配的塊的實(shí)際尺寸比請(qǐng)求的大。如果分配非0的內(nèi)存，從函數(shù)dma_pool_alloc返回的對(duì)象將不跨越size邊界（如不跨越4K字節(jié)邊界）。這對(duì)在個(gè)體的DMA傳輸上有地址限制的設(shè)備來(lái)說(shuō)是有利的。

函數(shù)dma_pool_create分析如下（在drivers/base/dmapool.c中）：

函數(shù)dma_pool_alloc從DMA池中分配一塊一致內(nèi)存，其參數(shù)pool是將產(chǎn)生塊的DMA池，參數(shù)mem_flags是GFP_*位掩碼，參數(shù)handle是指向塊的DMA地址，函數(shù)dma_pool_alloc返回當(dāng)前沒(méi)用的塊的內(nèi)核虛擬地址，并通過(guò)handle給出它的DMA地址，如果內(nèi)存塊不能被分配，返回null。

函數(shù)dma_pool_alloc包裹了dma_alloc_coherent頁(yè)分配器，這樣小塊更容易被總線(xiàn)的主控制器使用。這可能共享slab分配器的內(nèi)容。

函數(shù)dma_pool_alloc分析如下（在drivers/base/dmapool.c中）：

六、一個(gè)簡(jiǎn)單的使用DMA 例子

示例：下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的使用DMA進(jìn)行傳輸?shù)尿?qū)動(dòng)程序，它是一個(gè)假想的設(shè)備，只列出DMA相關(guān)的部分來(lái)說(shuō)明驅(qū)動(dòng)程序中如何使用DMA的。

函數(shù)dad_transfer是設(shè)置DMA對(duì)內(nèi)存buffer的傳輸操作函數(shù)，它使用流式映射將buffer的虛擬地址轉(zhuǎn)換到物理地址，設(shè)置好DMA控制器，然后開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)。

函數(shù)dad_interrupt是中斷處理函數(shù)，當(dāng)DMA傳輸完時(shí)，調(diào)用這個(gè)中斷函數(shù)來(lái)取消buffer上的DMA映射，從而讓內(nèi)核程序可以訪(fǎng)問(wèn)這個(gè)buffer。

函數(shù)dad_open打開(kāi)設(shè)備，此時(shí)應(yīng)申請(qǐng)中斷號(hào)及DMA通道

在與open 相對(duì)應(yīng)的 close 函數(shù)中應(yīng)該釋放DMA及中斷號(hào)。

函數(shù)dad_dma_prepare初始化DMA控制器，設(shè)置DMA控制器的寄存器的值，為 DMA 傳輸作準(zhǔn)備。

函數(shù)dad_dma_isdone用來(lái)檢查 DMA 傳輸是否成功結(jié)束。