DMA映射 dma_addr_t

DMA映射

一个DMA映射是要分配的DMA缓冲区与为该缓冲区生成的、设备可访问地址的组合。

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类型的变量对驱动程序是不透明的， 唯一允许的操作是将它们传递给DMA支持例程以及设备本身。

根据DMA缓冲区期望保留的时间长短，PCI代码有两种DMA映射: 1) 一致性映射 ； 2) 流式DMA映射(推荐)。

建立一致性DMA映射

void *dma_alloc_coherent(struct device *dev,size_t size, dma_addr_t *dma_handle,int flag); 该函数处理了缓冲区的分配和映射。

前两个参数是device结构和所需缓冲区的大小。 函数在两处返回结果： 1)函数的返回值时缓冲区的内核虚拟地址，可以被驱动程序使用。 2)相关的总线地址则保存在dma_handle中。通常只能通过get_free_pages函数分配内存（size是以字节为单位的）。flag参数通常是描述如何分配内存的GFP_值；通常是GFP_KERNEL或者是GFP_ATOMIC（在原子上下文中运行时）。

向系统返回缓冲区： void dma_free_coherent(struct device *dev,size_t size, void *vaddr,dma_addr_t dma_handle);

DMA池

DMA池是一个生成小型、一致性DMA映射的机制。 调用dma_alloc_coherent函数获得的映射，可能其最小大小为单个页。 如果设备需要的DMA区域比这还小，就要用DMA池了。

在<linux/dmapool.h>中定义了DMA池的函数。DMA池必须在使用前，调用下面的函数创建：

struct dma_pool *dma_pool_create(const char *name,struct device *dev, size_t size,size_t align, size_t allocation); name是DMA池的名字，dev是device结构，size是从该池中分配的缓冲区大小， align是该池分配操作所必须遵守的硬件对齐原则（用字节表示），如果allocation不为零，表示内存边界不能超越allocation。

释放DMA池： void dma_pool_destroy(struct dma_pool *pool);

在销毁前，必须向DMA池返回所有分配的内存。

DMA池分配内存 void *dma_pool_alloc(struct dma_pool *pool,int mem_flags, dma_addr_t *handle);

在这个函数中，mem_flags通常设置为GFP_分配标志。像dma_alloc_coherent函数一样，返回的DMA缓冲区的地址是内核虚拟地址，并作为总线地址保存在handle中。

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

建立流式DMA映射

流式映射具有比一致性映射更为复杂的接口。 这些映射希望能与已经由驱动程序分配的缓冲区协同工作， 因而不得不处理那些不是它们选择的地址。

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

　　DMA_TO_DEVICE  数据发送到设备(如write系统调用)

　　DMA_FROM_DEVICE  数据被发送到

　　CPU DMA_BIDIRECTIONAL 数据可双向移动

　　DMA_NONE  出于调试目的。

当只有一个缓冲区要被传输的时候，使用dma_map_single函数映射它:

dma_addr_t dma_map_single(struct device *dev,void *buffer,size_t size, enum dma_data_direction direction); 返回值是总线地址，可以把它传递给设备。

当传输完毕后，使用dma_unmap_single函数删除映射：

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

流式DMA映射的几条原则:

• 缓冲区只能用于这样的传送，即其传送方向匹配于映射时给定的方向。
• 一旦缓冲区被映射，它将属于设备，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，不能撤销对缓冲区映射，否则会严重破坏系统的稳定性。

驱动程序需要不经过撤销映射就访问流式DMA缓冲区的内容，有如下调用：

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

在设备访问缓冲区前，应调用下面函数将缓冲区所有权交还给设备：

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

单页流式映射

有时候，要为page结构指针指向的缓冲区建立映射，比如 为get_user_pages获得的用户空间缓冲区。使用下面的函数，建立和撤销使用page结构指针的流式映射：

dma_addr_t dma_map_page(struct device *dev, struct page *page, unsigned long offset, size_t size, enum dma_data_direction direction);

void dma_unmap_page(struct device *dev, dma_addr_t dma_address, size_t size, enum dma_data_direction direction);

分散/聚集映射

分散/聚集映射是一种特殊类型的流式DMA映射。假设有几个缓冲区，它们需要与设备双向传输数据。可以简单地依次映射每一个缓冲区并且执行请求的操作， 但是一次映射整个缓冲区表还是很有利的。

映射分散表的第一步是建立并填充一个描述被传输缓冲区的 scatterlist结构的数组。 <linux/scatterlist.h>

scatterlist结构的成员：struct page *page;

　　　　　　　　　　　unsigned int length;

　　　　　　　　　　　unsigned int offset;

然后调用：

int dma_map_sg(struct device *dev, struct scatterlist *sg, int nents, enum dma_data_direction direction);

这里nents是传入的分散表入口的数量。返回值是要传送的DMA缓冲区数，它可能小于nents。

驱动程序应该传输有dma_map_sg函数返回的每个缓冲区。总线地址和每个缓冲区的长度被保存在scatterlist结构中，但是它们在结构中的位置会随体系结构的不同而不同。使用已经定义的两个宏，以用来编写可移植代码：

dma_addr_t sg_dma_address(struct scatterlist *sg); 从该分散表的入口项中返回总线（DMA）地址。

unsigned int sg_dma_len(struct scatterlist *sg); 返回缓冲区的长度。

一旦传输完毕，解除分散/聚集映射：

void dma_unmap_sg(struct device *dev, struct scatterlsit *list, int nents, enum dma_data_direction direction);

nents一定是先前传递给dma_map_sg函数的入口项的数量，而不是函数返回的DMA缓冲区的数量。

分散/聚集映射是流失DMA映射，因此适用于流式映射的规则也适用于该种映射。如果必须访问映射的分散/聚集列表，必须首先对其进行同步：

void dma_sync_sg_for_cpu(struct device *dev, struct scatterlist *sg, int nents, enum dma_data_direction direction);

void dma_sync_sg_for_device(struct device *dev, struct scatterlist *sg, int nents, enum dma_data_direction direction);

PCI双重地址周期映射

通用DMA支持层使用32位总线地址，其为设备的DMA掩码所约束。然而PCI总线还支持64位地址模式，即 双重地址周期(DAC )。通用DMA层并不支持该模式。

如果设备需要使用放在高端内存的大块缓冲区，可以考虑实现DAC支持。这种支持只有对PCI总线有效，因此必须要使用与PCI总线有关的例程。

要使用DAC，驱动程序必须包含头文件<linux/pci.h>，还必须设置一个单独的DMA掩码：

int pci_dac_set_dma_mask(struct pci_dev *pdev, u64 mask); 只有返回0时，才能使用DAC地址。

在DAC映射中使用了一个特殊类型（dma64_addr_t）。使用下面函数建立一个这样的映射：

dma64_addr_t pci_dac_page_to_dma(struct pci_dev *pdev, struct page *page, unsigned long offset, int direction);

可以只使用page结构指针来建立DAC映射，而且必须以一次一页的方式创建它们。direction参数与在通用DMA层中使用的dma_data_direction枚举类型等价，因此可以取PCI_DMA_TODEVICE、PCI_DMA_FROMDEVICE或者PCI_DMA_BIDIRECTIONAL。

DAC映射不需要显示释放它。有一套用于同步DMA缓冲区的函数，其形式如下：

void pci_dac_dma_sync_single_for_cpu(struct pci_dev *pdev, dma64_addr_t dma_addr, size_t len, int direction);

void pci_dac_dma_sync_single_for_device(struct pci_dev *pdev, dma64_addr_t dma_addr, size_t len, int direction);

一个简单的PCI DMA例子

这里提供了一个PCI设备的DMA例子（不能应用于任何真实设备），是一个假定的叫dad（DMA Acquisition Device，DMA获取设备）驱动程序的一部分，说明如何使用DMA映射：

int dad_transfer(struct dad_dev *dev, int write, void *buffer, size_t count)

{

　　dma_addr_t bus_addr;

　　/*映射DMA需要的缓冲区*/

　　dev->dma_dir = (write ? DMA_TO_DEVICE : DMA_FROM_DEVICE);

　　dev->dma_size = count;

　　bus_addr = dma_map_single(&dev->pci_dev->dev, buffer, count, dev->dma_dir);

　　

　　dev_>dma_addr = bus_addr;

　　

　　/*设置设备*/

　　writeb(dev->registers.command, DAD_CMD_DISABLEDMA);

　　writeb(dev->registers.command, write ? DAD_CMD_WR : DAD_CMD_RD);

　　writel(dev->registers.addr, cpu_to_le32(bus_addr));

　　writel(dev->registers.len, cpu_to_le32(count));

　　/*开始操作*/

　　writeb(dev->registers.command, DAD_CMD_ENABLEDMA);

　　return 0;

}

该函数映射了准备进行传输的缓冲区并且启动设备操作。

另一半工作必须在中断服务例程中完成：

void dad_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)

{

　　struct dad_dev *dev = (struct dad_dev *)dev_id;

　　/* 确定中断是由对应的设备发来的*/

　　/*释放对DMA缓冲区的映射*/

　　dma_unmap_single(dev->pci_dev->dev, dev->dma_addr, dev->dma_size, dev->dma_dir);

　　/* 释放之后，才能访问缓冲区，把它拷贝给用户 */

　　...

}

ISA设备的DMA

ISA总线允许两种DMA传输:本地DMA和ISA总线控制DMA。

只讨论本地(native)DMA。

本地DMA使用主板上的标准DMA控制器电路来驱动ISA总线上的信号线。

本地DMA，要关注三种实体：

• 8237 DMA控制器(DMAC) 　　控制器保存了有关DMA传输的信息，如方向、内存地址、传输数据量大小等。 还包含了一个跟踪传送状态的计数器。 当控制器接收到一个DMA请求信号时，它将获得总线控制权并驱动信号线， 这样设备就能读写数据了。
• 外围设备 　　当设备准备传送数据时，必须激活DMA请求信号。 DMAC负责管理实际的传输工作；当控制器选通设备后， 硬件设备就可以顺序地读/写总线上的数据。 当传输结束时，设备通常会产生一个中断。
• 设备驱动程序 　　设备驱动程序完成的工作很少， 它只是负责提供DMA控制器的方向、总线地址、传输量的大小等。 它还与外围设备通信，做好传输数据的准备，当DMA传输完毕后，响应中断。

在PC中使用的早期DMA控制器能够管理四个“通道”， 每个通道都与一套DMA寄存器相关联。

DMA控制器是系统资源，因此，内核协助处理这一资源。内核使用DMA注册表为DMA通道提供了请求/释放机制， 并且提供了一组函数在DMA控制器中配置通道信息。