深入探討Linux驅動技術(三) _DMA程式設計的實現原理與相關技術

在Linux驅動程式編寫過程中，DMA程式設計是一種非常重要的技術。它可以實現高速資料傳輸，提高系統的效能和響應速度。在本文中，我們將深入探討Linux驅動技術(三) _DMA程式設計的實作原理與相關技術。

#DMA即Direct Memory Access，是一種允許週邊直接存取記憶體資料而沒有CPU參與的技術，當週邊裝置對於該區塊記憶體的讀寫完成之後，DMAC透過中斷通知CPU，這種技術多用於對資料量和資料傳輸速度都有很高要求的周邊控制，如顯示​​設備等。

DMA與Cache一致性

#我們知道，為了提高系統運作效率，現代的CPU都採用多層快取結構，其中就包含使用多層Cache技術來快取記憶體中的資料來緩解CPU和記憶體速度差異問題。在這種前提下，顯而易見，如果DMA記憶體的資料已經被Cache快取了，而周邊又修改了其中的數據，這就會造成Cache資料和記憶體資料不符的問題，即DMA與Cache的一致性問題。為了解決這個問題，最簡單的辦法就是禁掉對DMA記憶體的Cache功能，顯然，這會導致效能的降低

虛擬位址 VS 實體位址 VS 總線位址

#在有MMU的電腦中，CPU看到的是虛擬位址，發給MMU後轉換成實體位址，虛擬位址再經過對應的電路轉換成匯流排位址，就是周邊看到的位址。所以，DMA週邊看到的位址其實是匯流排位址。 Linux核心提供了對應的API來實現三種位址間的轉換:

//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位址遮罩

#DMA週邊並不一定能在所有的記憶體位址上執行DMA操作，此時應該使用DMA位址遮罩

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

例如只能存取24位址的DMA外設，就使用dma_set_mask(dev,0xffffff)

程式設計流程

以下是在核心程式中使用DMA記憶體的流程：

一致性DMA

#如果在驅動器中使用DMA緩衝區，可以使用核心提供的已經考慮到一致性的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); 

串流DMA

#如果使用應用層的緩衝區建立的DMA申請而不是驅動中的緩衝區，可能只會使用kmalloc等函數進行申請，那麼就需要使用串流DMA緩衝區，此外，還要解決Cache一致性的問題。

/**
 * 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); 

總之，DMA程式設計是Linux驅動程式編寫過程中不可或缺的一部分。它可以實現高速資料傳輸，提高系統的效能和響應速度。希望本文能幫助讀者更能理解Linux驅動技術(三) _DMA程式設計的實作原理與相關技術。

以上是深入探討Linux驅動技術(三) _DMA程式設計的實現原理與相關技術的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！