Linux

Linux驱动开发之DMA子系统

1. 概述

DMA（Direct Memory Access）是计算机系统中除了CPU之外可以主动访问计算机系统内存的硬件部件，DMA的主要功能搬移内存数据而不用通过CPU核。

有些CPU会设计通用DMA设备给各外设使用，例如嵌入式CPU的一些低速外设，自身没有设计DMA，为了数据传输的高效，则需要借用通用DMA设备。

对于大多数的高速外设，因其业务特性，是会自己实现相应的DMA组件的，以追求业务最佳性能。

针对通用DMA设备，Linux系统中提供了统一的DMA驱动框架——DMA子系统。

2. DMA类型

DMA从不同的角度可以进行不同的分类

2.1 DMA mapping方式分类

从DMA mapping方式可以分为2类

  • Coherent DMA（一致性DMA）

Coherent DMA访问内存地址时不过cache，是cache-coherence设备，采用Consistent mapping的API进行内存申请

  • Streaming DMA（流式DMA）

Streaming DMA在访问内存地址时经过cache，是non-coherence设备，通常采用streaming mapping的API进行内存申请，在单次DMA传输时进行map，在传输完成后进行unmap

2.2 DMA工作方式分类

从DMA工作方式可以分为2类

  • Block DMA

硬件DMA设计为一次访问操作需要连续内存地址空间

  • Scatter-Gather DMA

硬件DMA设计为一次访问操作可以访问多个离散的、不连续的内存地址空间，并将不连续地址空间的进行数据组合

两种类型的DMA明显差异是软件配置给DMA的地址格式不同，Block DMA只需要在寄存器中实现地址寄存器和数据长度寄存器即可；但Scatter-Gather DMA需要采用描述符表的方式，描述符表中每一个条目是各离散地址和数据长度，寄存器只需要实现描述符表的基址寄存器。

3. Linux DMA子系统

3.1 DMA子系统框架

DMA子系统是一个相对比较简单的子系统，整个框架比较薄，Linux下DMA子系统的框架图见下图蓝色部分

Linux DMA子系统主要有有5部分组成

  • dmaengine：是DMA子系统的核心，为DMA Device Driver提供DMA设备注册的API，为DMA调用者（Device Driver）提供屏蔽DMA设备实现细节的统一接口API
  • virt-dma：为DMA子系统提供虚拟DMA channel的支持
  • of-dma：为DMA子系统提供设备树描述DMA信息传入的支持
  • DMA Device Driver：为DMA设备的驱动程序
  • dmatest：提供dmatest模块测试DMA memcpy, memset, XOR和RAID6 P+Q操作各种长度和各种偏移量进入源和目标缓冲区

3.2 DMA子系统重要API

此处主要介绍DMA系统为上、下游提供的API，dma-mapping的API此处不做介绍

3.2.1 Register API

1）dma_async_device_register

将DMA设备驱动注册到dma子系统


int dma_async_device_register(struct dma_device *device)

2）dma_async_device_unregister

将DMA设备驱动从dma子系统注销


void dma_async_device_unregister(struct dma_device *device)
3.2.2 DMA调用者（Device Driver）API

1）dma_request_chan

查找并返回与设备关联的设备名为name的DMA通道，这种关联是通过设备树描述实现的。

通过该接口申请的channel是独占的，直到使用dma_release_channel()释放为止。


struct dma_chan *dma_request_chan(struct device *dev, const char *name)

2）dmaengine_slave_config

传递指定的信息给DMA驱动，这些信息大部分已经集成在struct dma_slave_config中赋值

如果需要传递更多的信息，可以将struct dma_slave_config内嵌到DMA设备的指定结构体中，这种就可以传递更多参数了


int dmaengine_slave_config(struct dma_chan *chan, struct dma_slave_config *config)

3）dmaengine_prep_slave_sg

以散列表的形式传输数据，在调用dmaengine_prep_slave_sg()之前需要使用散列表的映射，并且必须在DMA操作完成之前不能释放。如果需要同步，请调用dma_sync_*_for_*()


struct dma_async_tx_descriptor *dmaengine_prep_slave_sg(
struct dma_chan *chan, struct scatterlist *sgl,
unsigned int sg_len, enum dma_data_direction direction,
unsigned long flags);

4）dmaengine_submit

把描述符添加到挂起的队列中来


dma_cookie_t dmaengine_submit(struct dma_async_tx_descriptor *desc)

5）dma_async_issue_pending

激活挂起队列中的事务，一旦一个事务完成，队列中的下一个事务就开启，如果设置了回调，还会调用回调以通知完成


void dma_async_issue_pending(struct dma_chan *chan)

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