linux驱动-DMA

DMA概述：

• DMA（Direct Memory Access）就是（外部设备）直接存取（访问）内存（RAM）。
• DMA映射，就是将内存一段空间，做特殊处理后，把物理地址告诉外设，外设部设备可以直接存取内存。如camera支持DMA，在camera控制器中，一般会有设置DMA物理地址的寄存器，按照本章下面介绍的映射方法，获取的总线地址（物理地址），将这个物理地址写到camera寄存器，就完成了camera的DMA配置，当然具体情况还有其他很多配置。

DMA数据传输概况：

DMA数据传输两种情况：

• 软件请求数据：驱动完成DMA映射后，进程请求访问这个映射缓存（RAM）。

  • 进程读数据：当DMA映射的缓存，没有满时，进程阻塞（是否阻塞等待，还是不等，根据具体情况定），当外设填满缓存时，产生中断，中断服务唤醒进程，进程读数据。
  • 写数据 ：进程向DMA映射的缓存写数据，写完时，产生一个完成动作，然后引发数据传输到外不设备。

• 硬件主动中断请求数据传输：

  • 硬件产生中断，告诉系统要传输数据。
  • 中断服务程序完成DMA映射后，告诉硬件数据存放缓存地址。
  • 外部设备写数据到缓存 ，完成时，产生中断告诉系统，数据传输完成。
  • 系统决定数据由那个进程来取出。

DMA总线地址：

DMA总线地址，也就是物理地址。与内核虚拟地址转换用include/asg-generic/io.h中定义的：

unsigned long virt_to_bus(volatile void *address)；void *bus_to_virt(unsigned long address)；

DMA总线地址，一般用dma_addr_t表示（虽然也是个u32类型），定义在include/linux/types.h中：

#ifdef CONFIG_ARCH_DMA_ADDR_T_64BITtypedef u64 dma_addr_t;#elsetypedef u32 dma_addr_t;#endif

DMA特殊硬件：

有些32/64位体系处理器上，有些DMA不支持32/64地址，如只支持24位，那么这个时候，我们需要调用dma_set_mask(dev,0xffffff)告诉系统（也需要，系统支持），其中0xffffff就是告诉系统DMA是24位的。定义在include/linux/dma-mapping.h（如果这个路径找不到，就到具体CPU体系下面找，如是ARM，则arch/arm/include/asm/dam-mapping.h）中：

 int dma_set_mask(struct device *dev, u64 mask);

返回值是0表示失败，不可以用DMA，返回非0表示成功，可以用DMA。
dma_set_mask早期，DMA控制器没有集成到CPU里面时，现在基本都集成到CPU里面，都是32位，现在很少使用了。

DMA三种映射方式：

DMA三种映射方式分别为：一致映射、流映射、发散/汇聚映射。

• 一致DMA映射

• 普通一致DMA映射
  普通一致DMA映射，内存空间地址连续，并且空间大小是页的整数倍。一般实现一致DMA映射函数内部都是调用__get_free_pages 来分配空间的。

  • 映射函数：

    • 定义头文件：include/linux/dma-mapping.h
    • 映射函数：
      void *dma_alloc_coherent(struct device *dev, size_t size,dma_addr_t *dma_handle, gfp_t flag)
      第一个参数：设备指针
      第二个参数：要映射缓存大小，单位字节
      第三个参数：映射完成后，总线地址（物理地址）存在dma_handle，属于函数返回的。
      第五个参数：标志，和kmalloc()、__get_free_pages()的flag一样，常用GFP_KERNEL和GFP_ATOMIC。
      返回值：返回内核逻辑地址，0表示失败。dma_alloc_coherent内部也是调用__get_free_pages分配空间。
      
      • 释放映射：
        void dma_free_coherent(struct device *dev, size_t size,void *cpu_addr, dma_addr_t dma_handle)
        第一个参数：设备指针
        第二个参数：映射的大小，也就是dma_alloc_coherent的大小。
        第三个参数：是dma_alloc_coherent返回的内核逻辑地址。
        第四个参数：是dma_alloc_coherent的第三个参数。
        返回值：没有，不管。

    dma-mapping.h里面还声明了其他接口，如dmam_alloc_coherent映射缓存会清零。

• DMA池
  当映射缓存小于一个页时，首先考虑用DMA池。

  • 创建DMA池
    
    • 定义头文件：include/linux/dmapool.h
    • 创建函数：
      struct dma_pool *dma_pool_create(const char *name, struct device *dev,
      size_t size, size_t align, size_t allocation);
      第一个参数：DMA池名字，name是字符串
      第二个参数：设备指针
      第三个参数：DMA池，从池分配缓存的大小，这个size是指用dma_pool_alloc分配缓存大小，而不是指整个池的大小。
      第四个参数：对齐方式，如字对齐，字节对齐，0表示默认对齐方式（跟随系统）
      第五个参数：内存边界限制。如果设备没有边界限制，可以设置该参数为0。如果设置为4096，则表示从内存池分配的内存不能超过4K字节的边界。
      返回值：返回DMA池dma_pool 结构体指针

  • 分配函数：
    DMA池创建完成后，就是从池分配缓存了。分配缓存空间大小是dma_pool_create第三个参数size设置的。

    • 定义头文件：include/linux/dmapool.h
    • 创建函数：
      void *dma_pool_alloc(struct dma_pool *pool, gfp_t mem_flags,
      dma_addr_t *handle);
      第一个参数：由dma_pool_create返回的DMA池dma_pool结构体指针
      第二个参数：分配标志，同kmalloc()
      第三个参数：分配返回给我们的总线地址（物理地址）
      返回值：内核逻辑地址。

  • 释放从DMA池分配的缓存：
    不用DMA池映射的缓存时，要释放掉缓存 。

    • 定义头文件：include/linux/dmapool.h
    • 释放函数：
      void dma_pool_free(struct dma_pool *pool, void *vaddr, dma_addr_t addr)
      第一个参数：由dma_pool_create返回的DMA池dma_pool结构体指针
      第二个参数：dma_pool_alloc返回的内核逻辑地址。
      第三个参数：dma_pool_alloc第三个参数返回给用户的总线地址（物理地址）

  • 销毁DMA池
    当模块卸载时，应销毁DMA池

    • 定义头文件：include/linux/dmapool.h
    • 销毁函数：
      void dma_pool_destroy(struct dma_pool *pool)
      第一个参数：由dma_pool_create返回的DMA池dma_pool结构体指针

• DMA流映射
  DMA流映射，指映射的缓存有方向，可以映射成单向和双向。单向效率高，单不方便。双向方便，效率没单向高。

  • 流方向标记：

    • 头文件：include/linux/dma-direction.h
    • 方向标记说明：
      
      • DMA_TO_DEVICE
        写，数据从缓存流向设备。
      • DMA_FROM_DEVICE
        读，数据从设备流向缓存。
      • DMA_BIDIRECTIONAL
        读写，双向，数据可流向设备，可从设备流向缓存。用得比较多。
      • DMA_NONE
        这个符号只作为一个调试辅助而提供. 试图使用带这个方向的缓冲导致内核崩溃.

  • 建立流映射：

    • 定义头文件：include/linux/dma-mapping.h
    • 宏：
      dma_map_single(d, a, s, r)宏展开是函数dma_map_single_attrs(d, a, s, r, NULL)：
      dma_addr_t dma_map_single_attrs(struct device *dev, void *ptr,
      size_t size,
      enum dma_data_direction dir,
      struct dma_attrs *attrs)；
      使用宏 dma_map_single的形参，我们看函数dma_map_single_attrs的参数
      dev：设备指针
      ptr：分配的缓存内核逻辑地址。用户自己，用kmalloc()、__get_free_pages()分配完成后。
      dir：流的方向标记
      attrs：为NULL
      返回值：总线地址（物理地址）
      注意：一但用dma_map_single映射后，CPU不能再对这段缓存操作，否则会导致系统不稳定。只有当dma_unmap_single取消映射过后，才能访问，或者通过下面介绍函数dma_sync_single_for_cpu处理后，也可以访问。

  • 取消流映射：

    • 定义头文件：include/linux/dma-mapping.h
    • 宏：
      void dma_unmap_single(d, a, s, r)宏展开是调用函数dma_unmap_single_attrs(d, a, s, r, NULL)：
      void dma_unmap_single_attrs(struct device *dev, dma_addr_t addr,
      size_t size,
      enum dma_data_direction dir,
      struct dma_attrs *attrs)
      使用宏dma_unmap_single的形参，我们看函数dma_unmap_single_attrs的参数：
      dev:设备指针
      addr:dma_map_single返回的总线地址（物理地址）
      size:映射缓存的大小
      dir:与dma_map_single相同的流方向标记。
      attrs：为NULL

  • CPU访问流映射缓存，临时处理函数：

    • 定义头文件：include/linux/dma-mapping.h
    • CPU访问前处理函数：
      void dma_sync_single_for_cpu(struct device *dev, dma_addr_t addr,
      size_t size,
      enum dma_data_direction dir)
      第一个参数：dev设备指针
      第二个参数： addr是dma_map_single返回的总线地址（物理地址）
      第三个参数：size缓存大小，dma_map_single第三个参数
      第四个参数：流方向标记。
      用dma_sync_single_for_cpu处理后，CPU可以访问只段缓存，访问完成后要恢复。
    • CPU访问完成后处理函数：
      void dma_sync_single_for_device(struct device *dev, dma_addr_t addr, size_t size, enum dma_data_direction dir)
      第一个参数：dev设备指针
      第二个参数： addr是dma_map_single返回的总线地址（物理地址）
      第三个参数：size缓存大小，dma_map_single第三个参数
      第四个参数：流方向标记。
      用dma_sync_single_for_device处理后，恢复给设备访问缓存，CPU不能再访问缓存。

  • 单页流映射：
    单页流映射，就是只映射一页缓存。

    • 映射函数

      • 定义头文件：include/linux/dma-mapping.h
      • 函数：
        dma_addr_t dma_map_page(struct device *dev, struct page *page,
        size_t offset, size_t size,enum dma_data_direction dir)
        第一个参数：dev设备指针
        第二个参数：页指针，用__get_free_page分配
        第三个参数：页偏移量
        第四个参数：只映射一页的部分，字节单位，size小于PAGE_SIZE
        第五个参数：流方向标记
        返回值：返回总线地址（物理地址）
        offset和size被用来映射页的部分,但尽量少用（不用，应该都是0）。

    • 取消映射函数

      • 定义头文件：include/linux/dma-mapping.h
      • 函数：
        void dma_unmap_page(struct device *dev, dma_addr_t addr,
        size_t size, enum dma_data_direction dir)
        第一个参数：dev设备指针
        第二个参数：addr总线地址（物理地址），由dma_map_page返回的
        第三个参数：缓存大小，同dma_map_page第四个参数
        第四个参数：流方向标志。

• 发散/汇聚DMA映射
  发散/汇聚DMA映射，当有多个buff（单个buff是连续的），需要映射时，我没不用再一个buff,一个buff的调用上面流映射接口去映射，而是一次调用一个接口映射全部buffer。

  • scatterlist结构体
    映射前，需要将这几个分散的buff汇聚到，scatterlist结构数组里面，buff个数和数组长度想同。

    • scatterlist定义头文件：include/linux/scatterlist.h
    • 部分成员描述：
      struct page 指针, 对应在发散/汇聚操作中使用的缓冲.
      
      • unsigned int length
        缓存的长度
      • unsigned int offset
        缓存页偏移量，一般为0
      • dma_addr_t dma_address
        单个buff映射后的总线地址（物理地址），这个是调用接口一次映射后，这个值才有。

  • buff添加到scatterlist上：

    • 定义头文件：include/linux/scatterlist.h
    • 操作函数：
      void sg_init_one(struct scatterlist , const void , unsigned int)
      第一个参数：scatterlist 结构体指针
      第二个参数：要映射的buff，可以是定义的数组，也可以是kmalloc等分配的
      第三个参数：buff大小，单位字节

  • 映射函数

    • 定义头文件：include/linux/dma-mapping.h
    • 函数
      宏dma_map_sg(d, s, n, r)展开是调用dma_map_sg_attrs(d, s, n, r, NULL)：
      int dma_map_sg_attrs(struct device *dev, struct scatterlist *sg,
      int nents, enum dma_data_direction dir,
      struct dma_attrs *attrs)
      第一个参数：设备指针
      第二个参数：scatterlist 结构体的数组指针。
      第三个参数：要映射的buff个数
      第四个参数：流方向标记
      第五个参数：NULL
      返回值：映射成功buff的个数，一般和第三个参数相等。
      
      • 映射完成后，取映射buff的总线地址（物理地址）用函数sg_dma_address(&sg[n]),取长度用sg_dma_len(&sg[n]).
      • 同样，映射完成后，CPU要访问映射的空间，必须取消后访问，如果不想取消映射，临时用函数void dma_sync_sg_for_cpu(struct device *dev, struct scatterlist *sg,
        int nelems, enum dma_data_direction dir)处理后，CPU才能访问，函数的参数到这里一看就不都知道了。CPU访问完成后，需要恢复处理
        void dma_sync_sg_for_device(struct device *dev, struct scatterlist *sg,
        int nelems, enum dma_data_direction dir)，恢复完成后，设备就可以访问了。

  • 取消映射函数

    • 定义头文件：include/linux/dma-mapping.h
    • 函数
      宏dma_unmap_sg(d, s, n, r)展开dma_unmap_sg_attrs(d, s, n, r, NULL)：
      void dma_unmap_sg_attrs(struct device *dev, struct scatterlist *sg,
      int nents, enum dma_data_direction dir,
      struct dma_attrs *attrs)
      第一个参数：设备指针
      第二个参数：scatterlist 结构体的数组指针
      第三个参数：取消映射的buff个数，同dma_map_sg第三个参数
      第四个参数：流方向标记
      第五个参数：为NULL

发散/汇聚映射用法例子：

#include <linux/scatterlist.h>#include <linux/dma-mapping.h>#include <linux/dma-direction.h>#include <linux/device.h>char bufA[100];int  bufB[200];struct scatterlist sg[3];struct device dev;int sginit(){    int ret = -1;    void *p = NULL;    P = kmalloc(1024,GFP_KERNEL);    sg_init_one(&sg[0],(void *)bufA,100);    sg_init_one(&sg[1],(void *)bufB,200);    sg_init_one(&sg[2],P,100);    ret = dma_map_sg(&dev,sg,3,DMA_FROM_DEVICE );    if(ret == 3)        return 3;    else        return -1;}

这样后面要用到那个映射，用sg_dma_address(&sg[n])取出物理地址。