直接内存访问--DMA

DMA数据传输：

DMA允许外围设备和主内存之间直接传输 I/O 数据， DMA 依赖于系统。每一种体系结构DMA传输不同，编程接口也不同。

数据传输可以以两种方式触发：一种软件请求数据，另一种由硬件异步传输。

在第一种情况下，调用的步骤可以概括如下（以read为例）：

（1）在进程调用 read 时，驱动程序的方法分配一个 DMA 缓冲区，随后指示硬件传送它的数据。进程进入睡眠。

（2）硬件将数据写入 DMA 缓冲区并在完成时产生一个中断。

（3）中断处理程序获得输入数据，应答中断，最后唤醒进程，该进程现在可以读取数据了。

第二种情形是在 DMA 被异步使用时发生的。以数据采集设备为例：

（1）硬件发出中断来通知新的数据已经到达。

（2）中断处理程序分配一个DMA缓冲区。

（3）外围设备将数据写入缓冲区，然后在完成时发出另一个中断。

（4）处理程序利用DMA分发新的数据，唤醒任何相关进程。

网卡传输也是如此，网卡有一个循环缓冲区（通常叫做 DMA 环形缓冲区）建立在与处理器共享的内存中。每一个输入数据包被放置在环形缓冲区中下一个可用缓冲区，并且发出中断。然后驱动程序将网络数据包传给内核的其它部分处理，并在环形缓冲区中放置一个新的 DMA 缓冲区。驱动程序在初始化时分配DMA缓冲区，并使用它们直到停止运行

分配DMA缓冲区：

1.使用DMA缓冲区的主要问题是：大于一页时，他们必须占据连续的物理页，因为设备使用ISA或者PCI系统总线传输数据，而这两种方式使用的都是物理地址。

2.实际操作中，一些设备和一些系统中的高端内存不能用于DMA,这是因为外围设备不能使用高端内存地址。应使用GFP_DMA标志调用kmalloc或者get_free_pages从DMA区间分配内存。

3.使用DMA的设备驱动程序将于连接到总线接口上的硬件通信，这些硬件通常使用的是总线地址。

unsigned long virt_to_bus(volatile void *address);

void *bus_to_virt(unsigned long address);

这些函数在虚拟地址和总线地址见做了简单的转化，但对于必须使用I/O内存管理单元或者必须使用回弹缓冲区的情况下，将不能工作。

通用DMA层：

内核提供了一个与总线--体系架构无关的DMA层，它会隐藏大多数问题，为DMA编写驱动时，使用该层。

使用些列函数的驱动程序都要包含头文件

1.int  dma_set_mask (struct  device  *dev , u64  mask);用于判断给定寻址范围受限的设备在当前主机上是否具备DMA操作的能力。

   如果设备支持常见的32位DMA操作，则没有必要调用dma_set_mask。

2.DMA映射是分配一个DMA缓冲区和为该缓冲区生成设备可访问地址的操作的组合。

   DMA映射建立了一个新的结构类型--dma_addr_t来表示总线地址，dma_addr_t类型的变量对驱动是不透明的；如果cpu直接使用了该结构，将会导致发生不可   

    预期的问题。

    根据DMA缓冲区期望保留的时间长短，PCI代码区分两种类型的DMA映射

    一致性DMA映射：必须可以同时被cpu和外围设备访问。必须保存在一致性缓存中。

    流式DMA映射：通常为单独的操作建立流式映射，开发者建议尽量使用流式映射。

    2.1 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：

    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：

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

    此外，Linux内核还提供了PCI设备申请DMA缓冲区的函数pci_alloc_consistent（），原型为：

    void *pci_alloc_consistent（struct pci_dev *dev, size_t size, dma_addr_t *dma_addrp）；  对应的释放函数为：

    void pci_free_consistent（struct pci_dev *pdev, size_t size, void *cpu_addr, dma_addr_t dma_addr）；

 

    2.2DMA池

    DMA池是一个生成小型、一致性DMA映射的机制。调用dma_alloc_coherent获得的映射，可能其最小大小为单个页。如果设备需要的DMA缓冲

    区比这还小，就要使用DMA池了。

    struct dma_pool *dma_pool_create(const char *name,struct device *dev,size_t size,size_t align,size_t allocation);

    void *dma_pool_alloc(struct dma_pool *pool,int mem_flags,dma_addr_t *handle);

    void *dma_pool_free(struct dma_pool *pool,void *vaddr,dma_addr_t addr);

    void dma_pool_destroy(struct dma_pool *pool);

     2.3建立流式DMA映射

     2.3.1建立流式映射时，必须告诉内核数据流动的方向。dma_data_direction枚举类型：

     DMA_TO_DEVICE

     DMA_FROM_DEVICE

     DMA_BIDIRECTIONAL

     DMA_NONE

     2.3.2当只有一个缓冲区需要被传输时：

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

     返回值时总线地址，可以把返回值传递给设备。

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

     size和direction参数必须与映射缓冲区的参数相匹配。

     2.3.3流式DMA映射的几条重要原则：

     传送方向匹配于映射时给定的方向值。

     一旦缓冲区被映射，它属于设备，而不是处理器，直到缓冲区被撤销映射前，驱动程序不能以任何方式访问其中的内容。

     在DMA处于活动期间内，不能撤销对缓冲区的映射

     因此，内核提供如下调用使驱动程序不需要撤销映射就访问流式DMA缓冲区的内容。

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

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

     2.4单页流式映射

     2.5分散/聚集映射

3.  ISA设备的DMA

     3.1

     ISA总线语序两种DMA传输：本地DMA和ISA总线控制DMA.这里主要说一下本地DMA

     有三种实体涉及到ISA总线上的DMA数据传输：

     DMA控制器：DMAC

     外围设备

     设备驱动程序

     在pc中，早期DMA控制器能够管理四个"通道"，每个通道与一套DMA寄存器相关联.

     注册DMA:

     int request_dma(unsigned int channel,const char *name);        

     channel是0到7的整数，其中4不可用，通道4在内部用来将从属控制器级联到主控制器上。返回0表示成功。cascade入口是一个占位符，表示4通道不可用

     void free_dma(unsigned int channel);

     在open操作时请求通道比在模块初始化函数中请求通道更好一些。同时还建议在请求中断信号线以后请求DMA通道，在释放中断前释放DMA通道。

     3.2与DMA控制器通信

     DMA通道时一个可共享的资源，在配置通道的时候需要加锁。

     unsigned long claim_dma_lock()

     void release_dma_lock(unsigned lon;g flags);

     配置DMA通道的信息包含三部分：RAM地址，被传输的原子项个数（以字节为单位），传输的方向

     void set_dma_mode(unsigned int channel,char mode);

     void set_dma_addr(unsigned int channel,unsigned int addr);

     void set_dma_count(unsigned int channel,unsigned int count);

     除此之外，当处理DMA设备时，还有许多用于管理设备的函数：

     void disable_dma(unsigned int channel);

     void enable_dma(unsigned int channel);

     int get_dma_residue(unsigned int channel);     该函数返回还未传输的字节数，用于查看DMA传输是否已经结束。

     void clear_dma_ff                                                   

     程序员必须在访问DMA寄存器前清除触发器，触发器用于控制对16位寄存器的访问，我们可以通过两个连续的8位操作访问该寄存器

     当清零时被用来选择低字节，置位选择高字节。