1.DMA概述

　　DMA是外設與主存之間的一種數據傳輸機制。一般來說，外設與主存之間存在兩種數據傳輸方法：(1)Pragrammed I/O(PIO)方法，也即由CPU通過內存讀寫指令或I/O指令來持續地讀寫外設的內存單元(8位、16位或32位)，直到整個數據傳輸過程完成。(2)DMA，即由DMA控制器(DMA Controller，簡稱DMAC)來完成整個數據傳輸過程。在此期間，CPU可以并發地執行其他任務，當DMA結束后，DMAC通過中斷通知CPU數據傳輸已經結束，然后由CPU執行相應的ISR進行后處理。

　　DMA技術產生時正是ISA總線在PC中流行的時侯。因此，ISA卡的DMA數據傳輸是通過ISA總線控制芯片組中的兩個級聯8237 DMAC來實現的。這種DMA機制也稱為“標準DMA”(standard DMA)。標準DMA有時也稱為“第三方DMA”(third-party DMA)，這是因為：系統DMAC完成實際的傳輸過程，所以它相對于傳輸過程的“前兩方”(傳輸的發送者和接收者)來說是“第三方”。

　　標準DMA技術主要有兩個缺點：(1)8237 DMAC的數據傳輸速度太慢，不能與更高速的總線(如PCI)配合使用。(2)兩個8237 DMAC一起只提供了8個DMA通道，這也成為了限制系統I/O吞吐率提升的瓶頸。

　　鑒于上述兩個原因，PCI總線體系結構設計一種成為“第一方DMA”(first-party DMA)的DMA機制，也稱為“Bus Mastering”(總線主控)。在這種情況下，進行傳輸的PCI卡必須取得系統總線的主控權后才能進行數據傳輸。實際的傳輸也不借助慢速的ISA DMAC來進行，而是由內嵌在PCI卡中的DMA電路(比傳統的ISA DMAC要快)來完成。Bus Mastering方式的DMA可以讓PCI外設得到它們想要的傳輸帶寬，因此它比標準DMA功能滿足現代高性能外設的要求。

　　隨著計算機外設技術的不斷發展，現代能提供更快傳輸速率的Ultra DMA(UDMA)也已經被廣泛使用了。本為隨后的篇幅只討論ISA總線的標準DMA技術在Linux中的實現。記住：ISA卡幾乎不使用Bus Mastering模式的DMA;而PCI卡只使用Bus Mastering模式的DMA，它從不使用標準DMA。

　　2.Intel 8237 DMAC

　　最初的IBM PC/XT中只有一個8237 DMAC，它提供了4個8位的DMA通道(DMA channel 0-3)。從IBM AT開始，又增加了一個8237 DMAC(提供4個16位的DMA通道，DMA channel 4-7)。兩個8237 DMAC一起為系統提供8個DMA通道。與中斷控制器8259的級聯方式相反，第一個DMAC被級聯到第二個DMAC上，通道4被用于DMAC級聯，因此它對外設來說是不可用的。第一個DMAC也稱為“slave DAMC”，第二個DMAC也稱為“Master DMAC”。

　　下面我們來詳細敘述一下Intel 8237這個DMAC的結構。

　　每個8237 DMAC都提供4個DMA通道，每個DMA通道都有各自的寄存器，而8237本身也有一組控制寄存器，用以控制它所提供的所有DMA通道。

　　2.1 DMA通道的寄存器

　　8237 DMAC中的每個DMA通道都有5個寄存器，分別是：當前地址寄存器、當前計數寄存器、地址寄存器(也稱為偏移寄存器)、計數寄存器和頁寄存器。其中，前兩個是8237的內部寄存器，對外部是不可見的。

　　(1)當前地址寄存器(Current Address Register)：每個DMA通道都有一個16位的當前地址寄存器，表示一個DMA傳輸事務(Transfer Transaction)期間當前DMA傳輸操作的DMA物理內存地址。在每個DMA傳輸開始前，8237都會自動地用該通道的Address Register中的值來初始化這個寄存器;在傳輸事務期間的每次DMA傳輸操作之后該寄存器的值都會被自動地增加或減小。

　　(2)當前計數寄存器(Current Count Register)：每個每個DMA通道都有一個16位的當前計數寄存器，表示當前DMA傳輸事務還剩下多少未傳輸的數據。在每個DMA傳輸事務開始之前，8237都會自動地用該通道的Count Register中的值來初始化這個寄存器。在傳輸事務期間的每次DMA傳輸操作之后該寄存器的值都會被自動地增加或減小(步長為1)。

　　(3)地址寄存器(Address Register)或偏移寄存器(Offset Register)：每個DMA通道都有一個16位的地址寄存器，表示系統RAM中的DMA緩沖區的起始位置在頁內的偏移。

　　(4)計數寄存器(Count Register)：每個DMA通道都有一個16位的計數寄存器，表示DMA緩沖區的大小。

　　(5)頁寄存器(Page Register)：該寄存器定義了DMA緩沖區的起始位置所在物理頁的基地址，即頁號。頁寄存器有點類似于PC中的段基址寄存器。

　　2.2 8237 DAMC的控制寄存器

　　(1)命令寄存器(Command Register)

　　這個8位的寄存器用來控制8237芯片的操作。其各位的定義如下圖所示：

　　(2)模式寄存器(Mode Register)

　　用于控制各DMA通道的傳輸模式，如下所示：

　　(3)請求寄存器(Request Register)

　　用于向各DMA通道發出DMA請求。各位的定義如下：

　　(4)屏蔽寄存器(Mask Register)用來屏蔽

 　　某個DMA通道。當一個DMA通道被屏蔽后，它就不能在服務于DMA請求，直到通道的屏蔽碼被清除。各位的定義如下：

　　上述屏蔽寄存器也稱為“單通道屏蔽寄存器”(Single Channel Mask Register)，因為它一次只能屏蔽一個通道。此外含有一個屏蔽寄存器，可以實現一次屏蔽所有4個DMA通道，如下：

　　(5)狀態寄存器(Status Register)

　　一個只讀的8位寄存器，表示各DMA通道的當前狀態。比如：DMA通道是否正服務于一個DMA請求，或者某個DMA通道上的DMA傳輸事務已經完成。

　　2.3 8237 DMAC的I/O端口地址

　　主、從8237 DMAC的各個寄存器都是編址在I/O端口空間的。而且其中有些I/O端口地址對于I/O讀、寫操作有不同的表示含義。如下表示所示：

　　Slave DMAC’s I/O port Master DMAC’sI/O port read write

　　0x000 0x0c0 Channel 0/4 的Address Register

　　0x001 0x0c1 Channel 0/4的Count Register

　　0x002 0x0c2 Channel 1/5 的Address Register

　　0x003 0x0c3 Channel 1/5的Count Register

　　0x004 0x0c4 Channel 2/6的Address Register

　　0x005 0x0c5 Channel 2/6的Count Register

　　0x006 0x0c6 Channel 3/7的Address Register

　　0x007 0x0c7 Channel 3/7的Count Register

　　0x008 0x0d0 Status Register Command Register

　　0x009 0x0d2 Request Register

　　0x00a 0x0d4 Single Channel Mask Register

　　0x00b 0x0d6 Mode Register

　　0x00c 0x0d8 Clear Flip-Flop Register

　　0x00d 0x0da Temporary Register Reset DMA controller

　　0x00e 0x0dc Reset all channel masks

　　0x00f 0x0de all-channels Mask Register

　　各DMA通道的Page Register在I/O端口空間中的地址如下：

　　DMA channel Page Register’sI/O port address

　　0 0x087

　　1 0x083

　　2 0x081

　　3 0x082

　　4 0x08f

　　5 0x08b

　　6 0x089

　　7 0x08a

　　注意兩點：

　　1. 各DMA通道的Address Register是一個16位的寄存器，但其對應的I/O端口是8位寬，因此對這個寄存器的讀寫就需要兩次連續的I/O端口讀寫操作，低8位首先被發送，然后緊接著發送高8位。

　　2. 各DMA通道的Count Register：這也是一個16位寬的寄存器(無論對于8位DMA還是16位DMA)，但相對應的I/O端口也是8位寬，因此讀寫這個寄存器同樣需要兩次連續的I/O端口讀寫操作，而且同樣是先發送低8位，再發送高8位。往這個寄存器中寫入的值應該是實際要傳輸的數據長度減1后的值。在DMA傳輸事務期間，這個寄存器中的值在每次DMA傳輸操作后都會被減1，因此讀取這個寄存器所得到的值將是當前DMA事務所剩余的未傳輸數據長度減1后的值。當DMA傳輸事務結束時，該寄存器中的值應該被置為0。

　　2.4 DMA通道的典型使用

　　在一個典型的PC機中，某些DMA通道通常被固定地用于一些PC機中的標準外設，如下所示：

　　Channel Size Usage

　　0 8-bit Memory Refresh

　　1 8-bit Free

　　2 8-bit Floppy Disk Controller

　　3 8-bit Free

　　4 16-bit Cascading

　　5 16-bit Fr

　　ee

　　6 16-bit Free

　　7 16-bit Free

　　2.5 啟動一個DMA傳輸事務的步驟

　　要啟動一個DMA傳輸事務必須對8237進行編程，其典型步驟如下：

　　1.通過CLI指令關閉中斷。

　　2.Disable那個將被用于此次DMA傳輸事務的DMA通道。

　　3.向Flip-Flop寄存器中寫入0值，以重置它。

　　4.設置Mode Register。

　　5.設置Page Register。

　　6.設置Address Register。

　　7.設置Count Register。

　　8.Enable那個將被用于此次DMA傳輸事務的DMA通道。

　　9.用STI指令開中斷。

　　3.3 對DMAC的保護

　　DMAC是一種全局的共享資源，為了保證設備驅動程序對它的獨占訪問，Linux在kernel/dma.c文件中定義了自旋鎖dma_spin_lock來保護它(實際上是保護DMAC的I/O端口資源)。任何想要訪問DMAC的設備驅動程序都首先必須先持有自旋鎖dma_spin_lock。如下：

　　static __inline__ unsigned long claim_dma_lock(void)

　　{

　　unsigned long flags;

　　spin_lock_irqsave(&dma_spin_lock, flags); /* 關中斷，加鎖*/

　　return flags;

　　}

　　static __inline__ void release_dma_lock(unsigned long flags)

　　{

　　spin_unlock_irqrestore(&dma_spin_lock, flags);/* 開中斷，開鎖*/

　　}4 Linux對ISA DMA通道資源的管理

 　　DMA通道是一種系統全局資源。任何ISA外設想要進行DMA傳輸，首先都必須取得某個DMA通道資源的使用權，并在傳輸結束后釋放所使用DMA通道資源。從這個角度看，DMA通道資源是一種共享的獨占型資源。

　　Linux在kernel/Dma.c文件中實現了對DMA通道資源的管理。

　　4.1 對DMA通道資源的描述

　　Linux在kernel/Dma.c文件中定義了數據結構dma_chan來描述DMA通道資源。該結構類型的定義如下：

　　struct dma_chan {

　　int lock;

　　const char *device_id;

　　};

　　其中，如果成員lock!=0則表示DMA通道正被某個設備所使用;否則該DMA通道就處于free狀態。而成員device_id就指向使用該DMA通道的設備名字字符串。

　　基于上述結構類型dma_chan，Linux定義了全局數組dma_chan_busy[]，以分別描述8個DMA通道資源各自的使用狀態。如下：

　　static struct dma_chan dma_chan_busy[MAX_DMA_CHANNELS] = {

　　{ 0, 0 },

　　{ 0, 0 },

　　{ 0, 0 },

　　{ 0, 0 },

　　{ 1, "cascade" },

　　{ 0, 0 },

　　{ 0, 0 },

　　{ 0, 0 }

　　};

　　顯然，在初始狀態時除了DMA通道4外，其余DMA通道皆處于free狀態。

　　4.2 DMA通道資源的申請

　　任何ISA卡在使用某個DMA通道進行DMA傳輸之前，其設備驅動程序都必須向內核提出DMA通道資源的申請。只有申請獲得成功后才能使用相應的DMA通道。否則就會發生資源沖突。

　　函數request_dma()實現DMA通道資源的申請。其源碼如下：

　　int request_dma(unsigned int dmanr, const char * device_id)

　　{

　　if (dmanr >= MAX_DMA_CHANNELS)

　　return -EINVAL;

　　if (xchg(&dma_chan_busy[dmanr].lock, 1) != 0)

　　return -EBUSY;

　　dma_chan_busy[dmanr].device_id = device_id;

　　/* old flag was 0, now contains 1 to indicate busy */

　　return 0;

　　}

　　上述函數的核心實現就是用原子操作xchg()讓成員變量dma_chan_busy[dmanr].lock和值1進行交換操作，xchg()將返回lock成員在交換操作之前的值。因此：如果xchg()返回非0值，這說明dmanr所指定的DMA通道已被其他設備所占用，所以request_dma()函數返回錯誤值-EBUSY表示指定DMA通道正忙;否則，如果xchg()返回0值，說明dmanr所指定的DMA通道正處于free狀態，于是xchg()將其lock成員設置為1，取得資源的使用權。

　　4.3 釋放DMA通道資源

　　DMA傳輸事務完成后，設備驅動程序一定要記得釋放所占用的DMA通道資源。否則別的外設將一直無法使用該DMA通道。

　　函數free_dma()釋放指定的DMA通道資源。如下：

　　void free_dma(unsigned int dmanr)

　　{

　　if (dmanr >= MAX_DMA_CHANNELS) {

　　printk("Trying to free DMA%d

　　", dmanr);

　　return;

　　}

　　if (xchg(&dma_chan_busy[dmanr].lock, 0) == 0) {

　　printk("Trying to free free DMA%d

　　", dmanr);

　　return;

　　}

　　} /* free_dma */

　　顯然，上述函數的核心實現就是用原子操作xchg()將lock成員清零。

　　4.4 對/proc/dma文件的實現

　　文件/proc/dma將列出當前8個DMA通道的使用狀況。Linux在kernel/Dma.c文件中實現了函數個get_dma_list()函數來至此/proc/dma文件的實現。函數get_dma_list()的實現比較簡單。主要就是遍歷數組dma_chan_busy[]，并將那些lock成員為非零值的數組元素輸出到列表中即可。如下：

　　int get_dma_list(char *buf)

　　{

　　int i, len = 0;

　　for (i = 0 ; i < MAX_DMA_CHANNELS ; i++) {

　　if (dma_chan_busy.lock) {

　　len += sprintf(buf+len, "%2d: %s

　　",

　　i,

　　dma_chan_busy.device_id);

　　}

　　}

　　return len;

　　} /* get_dma_list */

　　5 使用DMA的ISA設備驅動程序

　　DMA雖然是一種硬件機制，但它離不開軟件(尤其是設備驅動程序)的配合。任何使用DMA進行數據傳輸的ISA設備驅動程序都必須遵循一定的框架。5.1 DMA通道資源的申請與釋放

 　　同I/O端口資源類似，設備驅動程序必須在一開始就調用request_dma()函數來向內核申請DMA通道資源的使用權。而且，最好在設備驅動程序的open()方法中完成這個操作，而不是在模塊的初始化例程中調用這個函數。因為這在一定程度上可以讓多個設備共享DMA通道資源(只要多個設備不同時使用一個DMA通道)。這種共享有點類似于進程對CPU的分時共享。

　　設備使用完DMA通道后，其驅動程序應該記得調用free_dma()函數來釋放所占用的DMA通道資源。通常，最好再驅動程序的release()方法中調用該函數，而不是在模塊的卸載例程中進行調用。

　　還需要注意的一個問題是：資源的申請順序。為了避免死鎖(deadlock)，驅動程序一定要在申請了中斷號資源后才申請DMA通道資源。釋放時則要先釋放DMA通道，然后再釋放中斷號資源。

　　使用DMA的ISA設備驅動程序的open()方法的如下：

　　int xxx_open(struct inode * inode, struct file * filp)

　　{

　　┆

　　if((err = request_irq(irq,xxx_ISR,SA_INTERRUPT,”YourDeviceName”,NULL))

　　return err;

　　if((err = request_dma(dmanr, “YourDeviceName”)){

　　free_irq(irq, NULL);

　　return err;

　　}

　　┆

　　return 0;

　　}

　　release()方法的范例代碼如下：

　　void xxx_release(struct inode * inode, struct file * filp)

　　{

　　┆

　　free_dma(dmanr);

　　free_irq(irq,NULL);

　　┆

　　}

　　5.2 申請DMA緩沖區

　　由于8237 DMAC只能尋址系統RAM中低16MB物理內存，因此：ISA設備驅動程序在申請DMA緩沖區時，一定要以GFP_DMA標志來調用kmalloc()函數或get_free_pages()函數，以便在系統內存的DMA區中分配物理內存。

　　5.3 編程DMAC

　　設備驅動程序可以在他的read()方法、write()方法或ISR中對DMAC進行編程，以便準備啟動一個DMA傳輸事務。一個DMA傳輸事務有兩種典型的過程：(1)用戶請求設備進行DMA傳輸;(2)硬件異步地將外部數據寫道系統中。

　　用戶通過I/O請求觸發設備進行DMA傳輸的步驟如下：

　　1.用戶進程通過系統調用read()/write()來調用設備驅動程序的read()方法或write()方法，然后由設備驅動程序read/write方法負責申請DMA緩沖區，對DMAC進行編程，以準備啟動一個DMA傳輸事務，最后正確地設置設備(setup device)，并將用戶進程投入睡眠。

　　2.DMAC負責在DMA緩沖區和I/O外設之間進行數據傳輸，并在結束后觸發一個中斷。

　　3.設備的ISR檢查DMA傳輸事務是否成功地結束，并將數據從DMA緩沖區中拷貝到驅動程序的其他內核緩沖區中(對于I/O device to memory的情況)。然后喚醒睡眠的用戶進程。

　　硬件異步地將外部數據寫到系統中的步驟如下：

　　1.外設觸發一個中斷通知系統有新數據到達。

　　2.ISR申請一個DMA緩沖區，并對DMAC進行編程，以準備啟動一個DMA傳輸事務，最后正確地設置好外設。

　　3.硬件將外部數據寫到DMA緩沖區中，DMA傳輸事務結束后，觸發一個中斷。

　　4. ISR檢查DMA傳輸事務是否成功地結束，然后將DMA緩沖區中的數據拷貝驅動程序的其他內核緩沖區中，最后喚醒相關的等待進程。

　　網卡就是上述過程的一個典型例子。

　　為準備一個DMA傳輸事務而對DMAC進行編程的典型代碼段如下：

　　unsigned long flags;

　　flags = claim_dma_lock();

　　disable_dma(dmanr);

　　clear_dma_ff(dmanr);

　　set_dma_mode(dmanr,mode);

　　set_dma_addr(dmanr, virt_to_bus(buf));

　　set_dma_count(dmanr, count);

　　enable_dma(dmanr);

　　release_dma_lock(flags);

　　檢查一個DMA傳輸事務是否成功地結束的代碼段如下：

　　int residue;

　　unsigned long flags = claim_dma_lock();

　　residue = get_dma_residue(dmanr);

　　release_dma_lock(flags);

　　ASSERT(residue == 0);