深入探讨Linux驱动技术(三) _DMA编程的实现原理和相关技术

在Linux驱动程序编写过程中，DMA编程是一种非常重要的技术。它可以实现高速数据传输，提高系统的性能和响应速度。在本文中，我们将深入探讨Linux驱动技术(三) _DMA编程的实现原理和相关技术。

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DMA
dma_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DMA
dma_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); 

总之，DMA编程是Linux驱动程序编写过程中不可或缺的一部分。它可以实现高速数据传输，提高系统的性能和响应速度。希望本文能够帮助读者更好地理解Linux驱动技术(三) _DMA编程的实现原理和相关技术。

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