Linux驱动技术技术之一：DMA编程

DMA即Direct Memory Access，是一种允许外设直接存取内存数据而没有CPU参与的技术，当外设对于该块内存的读写完成之后，DMAC通过中断通知CPU，这种技术多用于对数据量和数据传输速度都有很高要求的外设控制，如显示设备等。

DMA和Cache一致性

我们知道，为了提高系统运行效率，现代的CPU都采用多级缓存结构，其中就包括使用多级Cache技术来缓存内存中的数据来缓解CPU和内存速度差异问题。在这种前提下，显而易见，如果DMA内存的数据已经被Cache缓存了，而外设又修改了其中的数据，这就会造成Cache数据和内存数据不匹配的问题，即DMA与Cache的一致性问题。为了解决这个问题，最简单的办法就是禁掉对DMA内存的Cache功能，显然，这会导致性能的降低

虚拟地址 VS 物理地址 VS 总线地址

在有MMU的计算机中，CPU看到的是虚拟地址，发给MMU后转换成物理地址，虚拟地址再经过相应的电路转换成总线地址，就是外设看到的地址。所以，DMA外设看到的地址其实是总线地址。Linux内核提供了相应的API来实现三种地址间的转换:

//虚拟->物理virt_to_phys()//物理->虚拟ioremap()//虚拟->总线virt_to_bus()//总线->虚拟bus_to_virt()

DMA地址掩码

DMA外设并不一定能在所有的内存地址上执行DMA操作，此时应该使用DMA地址掩码

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

比如一个只能访问24位地址的DMA外设，就使用dma_set_mask(dev,0xffffff)

编程流程

下面是在内核程序中使用DMA内存的流程：

一致性DMA

如果在驱动中使用DMA缓冲区，可以使用内核提供的已经考虑到一致性的API:

/** * request_dma - 申请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)//申请PCI设备的DMA缓冲区void *pci_alloc_consistent(struct pci_dev *hwdev, size_t size, dma_addr_t *dma_handle)//释放DMA缓冲区void dma_free_coherent(struct device *dev, size_t size, void *cpu_addr, dma_addr_t dma_handle )//释放PCI设备的DMA缓冲区void pci_free_consistent()/** * free_dma - 释放DMA通道 * On certain platforms, we have to free interrupt as well... */void free_dma(unsigned int chan);

流式DMA

如果使用应用层的缓冲区建立的DMA申请而不是驱动中的缓冲区，可能仅仅使用kmalloc等函数进行申请，那么就需要使用流式DMA缓冲区，此外，还要解决Cache一致性的问题。

/** * request_dma - 申请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DMAdma_addr_t dma_map_single(struct device *dev,void *buf, size_t size, enum dma_datadirection direction);//驱动获得DMA拥有权，通常驱动不该这么做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);//将DMA拥有权还给设备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DMAdma_addr_t dma_unmap_single(struct device *dev,void *buf, size_t size, enum dma_datadirection direction);/** * free_dma - 释放DMA通道 * On certain platforms, we have to free interrupt as well... */void free_dma(unsigned int chan);