linux dma

DMA浅显分析

• 内核：Linux4.1

1.DMA介绍

​ 其实很简单，DMA是Direct Memory Access的缩写，意思就是直接访问内存，什么叫直接访问内存？就是不需要CPU去参与，DMA就能从内存读或写入数据。

​ 为什么需要DMA？原因很简单，为了让CPU更"轻松"，把搬运的苦力活交给DMA。

​

1.1 DMA通道

​ 一个DMA控制器（controller）可以有多个通道（channel），多个channel并不意味着能够同时进行，channel请求传输都是会经过DMA controller，所以这些通道之间是”串行传输“的。

1.2 DMA request lines

​ DMA再怎么独立，它也是需要CPU去告诉它什么时候开始传输。

​ CPU发起DMA传输的时候，并不知道当前是否具备传输条件，例如source设备是否有数据、dest设备的FIFO是否空闲等等。那谁知道是否可以传输呢？设备！因此，需要DMA传输的设备和DMA控制器之间，会有几条物理的连接线（称作DMA request，DRQ），用于通知DMA控制器可以开始传输了

​ 这就是DMA request lines的由来，通常来说，每一个数据收发的节点（称作endpoint），和DMA controller之间，就有一条DMA request line（memory设备除外）

1.3 DMA传输参数

1.3.1 transfer size

传输的数据大小（bytes），传输transfer size之后停止传输。

1.3.2 transfer width

传输宽度（bit），在某些设备可能需要在一个时间周期中，传输指定bit的数据大小。

1.3.3 burst size

DMA控制器内部可缓存的数据量的大小，当传输的源或者目的地是memory的时候，为了提高效率，DMA controller不愿意每一次传输都访问memory，而是在内部开一个buffer，将数据缓存在自己buffer中

2.DMA的使用

2.1 DMA一致性问题

​ 这个一致性问题指的是：主内存与cache之间数据的一致性问题，因为CPU在访问内存之前，都会去查看cache有没有hit。

​ 假设CPU要向内存地址为0x100中写入数据，cpu发现了cache是hit的，那么cpu会把数据先写入cache中，此时cache中保存着最新的数据，而内存地址为0x100中保存的是旧的数据。就在这时，DMA传输被启动了，那么DMA要去内存地址为0x100中取出数据，那么DMA取到的数据为旧的数据。

如何解决这个问题？

内核提供了DMA申请内存的函数，这些函数是可以解决一致性的问题。

2.1.1 一致性DMA缓存(Coherent DMA buffers)

先看lcd驱动mxsfb.c

mxsfb_probe

​ mxsfb_init_fbinfo

​ mxsfb_map_videomem

static int mxsfb_map_videomem(struct fb_info *fbi)
{
  ......
   	fbi->screen_base = dma_alloc_writecombine(fbi->device,
				fbi->fix.smem_len,
				(dma_addr_t *)&fbi->fix.smem_start,
				GFP_DMA | GFP_KERNEL);   
  ......
}

​ 在这个Lcd驱动程序里面使用了dma_alloc_writecombine来申请lcd内存。那么内核是怎么处理的？内核可能需要对这段内存重新做一遍映射，特点是映射的时候标记这些页是不带cache的，这个特性也是存放在页表里面的。总而言之就是把这段内存标记为不使用cache的内存段。与dma_alloc_writecombine相同的还有另一个函数，dma_alloc_coherent，这两个的区别就是，dma_alloc_writecombine是使用关闭cache，但是会启用write buffer，而dma_alloc_coherent则是既关闭cache，也不使用write buffer，那么什么是write buffer呢？实际上write buffer也是cache，只有当进行写操作时，cache才会往write中写入数据。

​ 如果，主内存中实在是没有多的可用来关闭cache的内存怎么办？可以使用dma_cache_sync函数，该函数就会去把cache的值更新到主内存中。

2.1.2 流式DMA映射(DMA Streaming Mapping)

我们再来看mmc驱动mxs-mmc.c，

mxs_mmc_prep_dma

static struct dma_async_tx_descriptor *mxs_mmc_prep_dma(
	struct mxs_mmc_host *host, unsigned long flags)
{
    ......
        	if (data) {
		/* data */
		dma_map_sg(mmc_dev(host->mmc), data->sg,
			   data->sg_len, ssp->dma_dir);
		sgl = data->sg;
		sg_len = data->sg_len;
	} else {
		/* pio */
		sgl = (struct scatterlist *) ssp->ssp_pio_words;
		sg_len = SSP_PIO_NUM;
	}

	desc = dmaengine_prep_slave_sg(ssp->dmach,
				sgl, sg_len, ssp->slave_dirn, flags);
    if (desc) {
		desc->callback = mxs_mmc_dma_irq_callback;
		desc->callback_param = host;
	} else {
    ......
}
    
    static void mxs_mmc_bc(struct mxs_mmc_host *host)
{
.......
	desc = mxs_mmc_prep_dma(host, DMA_CTRL_ACK);
	if (!desc)
		goto out;

	dmaengine_submit(desc);
	dma_async_issue_pending(ssp->dmach);
.......
    
}

​

​ 在mmc驱动里面是使用dma_map_sg来进行申请内存，与一致性DMA映射不同的是，流式映射只有在启动DMA传输时才进行的，并且传输完数据之后，就会马上取消映射，可以在mxs_mmc_dma_irq_callback看到使用了dma_unmap_sg进行取消隐射。

2.1.3 Cache Coherent interconnect

​ 上面说的是常规DMA，有些SoC可以用硬件做CPU和外设的cache coherence，例如在SoC中集成了叫做“Cache Coherent interconnect”的硬件，它可以做到让DMA踏到CPU的cache或者帮忙做cache的刷新。这样的话，dma_alloc_coherent()申请的内存就没必要是非cache的了。

2.2 使用DMA

看看别人是怎么实现，打开 s3cmci.c的s3cmci_probe:

static int s3cmci_probe(struct platform_device *pdev)
{
	if (s3cmci_host_usedma(host)) {
		dma_cap_mask_t mask;

		dma_cap_zero(mask);
		dma_cap_set(DMA_SLAVE, mask);

		host->dma = dma_request_slave_channel_compat(mask,
			s3c24xx_dma_filter, (void *)DMACH_SDI, &pdev->dev, "rx-tx");
		if (!host->dma) {
			dev_err(&pdev->dev, "cannot get DMA channel.
");
			ret = -EBUSY;
			goto probe_free_gpio_wp;
		}
	}
}

使用dma_request_slave_channel_compat来申请DMA通道，然后再看看s3cmci_prepare_dma：

static int s3cmci_prepare_dma(struct s3cmci_host *host, struct mmc_data *data)
{
	int rw = data->flags & MMC_DATA_WRITE;
	struct dma_async_tx_descriptor *desc;
	struct dma_slave_config conf = {
		.src_addr = host->mem->start + host->sdidata,
		.dst_addr = host->mem->start + host->sdidata,
		.src_addr_width = DMA_SLAVE_BUSWIDTH_4_BYTES,
		.dst_addr_width = DMA_SLAVE_BUSWIDTH_4_BYTES,
	};

	BUG_ON((data->flags & BOTH_DIR) == BOTH_DIR);

	/* Restore prescaler value */
	writel(host->prescaler, host->base + S3C2410_SDIPRE);

	if (!rw)
		conf.direction = DMA_DEV_TO_MEM;
	else
		conf.direction = DMA_MEM_TO_DEV;

	dma_map_sg(mmc_dev(host->mmc), data->sg, data->sg_len,
			     rw ? DMA_TO_DEVICE : DMA_FROM_DEVICE);

	dmaengine_slave_config(host->dma, &conf);
	desc = dmaengine_prep_slave_sg(host->dma, data->sg, data->sg_len,
		conf.direction,
		DMA_CTRL_ACK | DMA_PREP_INTERRUPT);
	if (!desc)
		goto unmap_exit;
	desc->callback = s3cmci_dma_done_callback;
	desc->callback_param = host;
	dmaengine_submit(desc);
	dma_async_issue_pending(host->dma);

	return 0;

unmap_exit:
	dma_unmap_sg(mmc_dev(host->mmc), data->sg, data->sg_len,
			     rw ? DMA_TO_DEVICE : DMA_FROM_DEVICE);
	return -ENOMEM;
}

第一要确定的是，s3c的mmc控制器使用了流式映射，具体函数为dma_map_sg。然后调用dmaengine_slave_config配置DMA：

struct dma_slave_config部分成员：

src_addr：源地址。传输方向是dev2mem或者dev2dev时，读取数据的位置（通常是固定的FIFO地址）。对mem2dev类型的channel，不需配置该参数（每次传输的时候会指定）；

dst_addr：传输方向是mem2dev或者dev2dev时，写入数据的位置（通常是固定的FIFO地址）。对dev2mem类型的channel，不需配置该参数（每次传输的时候会指定）；

src_addr_width：源的数据宽度

dst_addr_width：目的数据宽度

direction：传输方向

配置DMA使用流式映射，dmaengine_prep_slave_sg，这里讲一下flags的参数：

/* *

enum dma_ctrl_flags - DMA flags to augment operation preparation,/

• control completion, and communicate status.
• @DMA_PREP_INTERRUPT - trigger an interrupt (callback) upon completion of
• this transaction 传输完毕后产生一次中断
• @DMA_CTRL_ACK - if clear, the descriptor cannot be reused until the client
• acknowledges receipt, i.e. has has a chance to establish any dependency
• chains
• @DMA_PREP_PQ_DISABLE_P - prevent generation of P while generating Q
• @DMA_PREP_PQ_DISABLE_Q - prevent generation of Q while generating P
• @DMA_PREP_CONTINUE - indicate to a driver that it is reusing buffers as
• sources that were the result of a previous operation, in the case of a PQ
• operation it continues the calculation with new sources
• @DMA_PREP_FENCE - tell the driver that subsequent operations depend
• on the result of this operation
• @DMA_CTRL_REUSE: client can reuse the descriptor and submit again till
• cleared or freed
  */

配置成功后会返回一个结构体，如果使用了DMA_PREP_INTERRUPT来配置，就要实现一个callback，传输结束后就会调用callback。然后调用dmaengine_submit把本次传输放入传输队列，最后调用dma_async_issue_pending进行传输。

我的一个疑问：

当传输完成后，在callback里有清除中断标志，但是为什么在callback没有看见释放流式映射内存？整个文件里面，我只看到除非配置sg失败，才会unmap。这点是我非常不能理解的。随着s3cmci_prepare_dma不断执行，不会造成内存的泄露吗？

static void s3cmci_dma_done_callback(void *arg)
{
	struct s3cmci_host *host = arg;
	unsigned long iflags;

	BUG_ON(!host->mrq);
	BUG_ON(!host->mrq->data);

	spin_lock_irqsave(&host->complete_lock, iflags);

	dbg(host, dbg_dma, "DMA FINISHED
");

	host->dma_complete = 1;
	host->complete_what = COMPLETION_FINALIZE;

	tasklet_schedule(&host->pio_tasklet);
	spin_unlock_irqrestore(&host->complete_lock, iflags);

}

我在查看mxs-mmc.c，发现在dam的callback是有释放内存的。

static void mxs_mmc_request_done(struct mxs_mmc_host *host)
{
    .......
    	if (data) {
		dma_unmap_sg(mmc_dev(host->mmc), data->sg,
			     data->sg_len, ssp->dma_dir);
    .......
}

2.2.1framebuffer使用DMA

看mxsfb.c

static int mxsfb_init_fbinfo(struct mxsfb_info *host,
			struct fb_videomode *vmode)
{
    /* Memory allocation for framebuffer */
	fb_size = SZ_2M;
	fb_virt = dma_alloc_wc(dev, PAGE_ALIGN(fb_size), &fb_phys, GFP_KERNEL);
	if (!fb_virt)
		return -ENOMEM;

	fb_info->fix.smem_start = fb_phys;
	fb_info->screen_base = fb_virt;
	fb_info->screen_size = fb_info->fix.smem_len = fb_size;
}

这是使用一致性映射dma_alloc_wc，这个函数是禁止cache，但使用writebuffer。申请出来的内存特点就是物理内存一定是连续的。为什么要连续的，因为lcd控制器只会从内存中连续的取。

如果仔细看这个驱动程序的话，就会发现并没有像mmc那样要申请DMA通道和配置DMA等，原因就是这块内存并不需要DMA搬运，而是交给lcd控制器来进行搬运，这也是能解释为什么不去注册DMA通道等。

参考：Linux DMA Engine framework(1)_概述 (wowotech.net)

参考：Linux内存管理 —— DMA和一致性缓存_落尘纷扰的专栏-CSDN博客