Linux系統(tǒng)對ISA總線DMA的實現(xiàn)

摘要：DMA是一種無需CPU的參與就可以讓外設(shè)與系統(tǒng)RAM之間進行雙向（to device 或 from device）數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布C制。使用DMA可以使系統(tǒng)CPU從實際的I/O數(shù)據(jù)傳輸過程中擺脫出來，從而大大提高系統(tǒng)的吞吐率（throughput）。

由于DMA是一種硬件機制，因此它通常與硬件體系結(jié)構(gòu)是相關(guān)的，尤其是依賴于外設(shè)的總線技術(shù)。比如：ISA卡的DMA機制就與PCI卡的DMA機制有區(qū)別。本站主要討論ISA總線的DMA技術(shù)。

關(guān)鍵詞： Linux、I/O、ISA總線、設(shè)備驅(qū)動程序

1.DMA概述

DMA是外設(shè)與主存之間的一種數(shù)據(jù)傳輸機制。一般來說，外設(shè)與主存之間存在兩種數(shù)據(jù)傳輸方法：（1）Pragrammed I/O（PIO）方法，也即由CPU通過內(nèi)存讀寫指令或I/O指令來持續(xù)地讀寫外設(shè)的內(nèi)存單元（8位、16位或32位），直到整個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸過程。在此期間，CPU可以并發(fā)地執(zhí)行其他任務(wù)，當(dāng)DMA結(jié)束后，DMAC通過中斷通知CPU數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)結(jié)束，然后由CPU執(zhí)行相應(yīng)的ISR進行后處理。

DMA技術(shù)產(chǎn)生時正是ISA總線在PC中流行的時侯。因此，ISA卡的DMA數(shù)據(jù)傳輸是通過ISA總線控制芯片組中的兩個級聯(lián)8237 DMAC來實現(xiàn)的。這種DMA機制也稱為“標(biāo)準(zhǔn)DMA”（standard DMA）。標(biāo)準(zhǔn)DMA有時也稱為“第三方DMA”（third-party DMA），這是因為：系統(tǒng)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?shù)陌l(fā)送者和接收者）來說是“第三方”。

標(biāo)準(zhǔn)DMA技術(shù)主要有兩個缺點：（1）8237 DMAC的數(shù)據(jù)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(tǒng)I/O吞吐率提升的瓶頸。

鑒于上述兩個原因，PCI總線體系結(jié)構(gòu)設(shè)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?shù)腜CI卡必須取得系統(tǒng)總線的主控權(quán)后才能進行數(shù)據(jù)傳輸。實際的傳輸也不借助慢速的ISA DMAC來進行，而是由內(nèi)嵌在PCI卡中的DMA電路（比傳統(tǒng)的ISA DMAC要快）來完成。Bus Mastering方式的DMA可以讓PCI外設(shè)得到它們想要的傳輸帶寬，因此它比標(biāo)準(zhǔn)DMA功能滿足現(xiàn)代高性能外設(shè)的要求。

隨著計算機外設(shè)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代能提供更快傳輸速率的Ultra DMA（UDMA）也已經(jīng)被廣泛使用了。本為隨后的篇幅只討論ISA總線的標(biāo)準(zhǔn)DMA技術(shù)在Linux中的實現(xiàn)。記?。篒SA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(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)提供8個DMA通道。與中斷控制器8259的級聯(lián)方式相反，第一個DMAC被級聯(lián)到第二個DMAC上，通道4被用于DMAC級聯(lián)，因此它對外設(shè)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(jié)構(gòu)。

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(dāng)前地址寄存器、當(dāng)前計數(shù)寄存器、地址寄存器（也稱為偏移寄存器）、計數(shù)寄存器和頁寄存器。其中，前兩個是8237的內(nèi)部寄存器，對外部是不可見的。

（1）當(dāng)前地址寄存器（Current Address Register）：每個DMA通道都有一個16位的當(dāng)前地址寄存器，表示一個DMA傳輸事務(wù)（Transfer Transaction）期間當(dāng)前DMA傳輸操作的DMA物理內(nèi)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(wù)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(dāng)前計數(shù)寄存器（Current Count Register）：每個每個DMA通道都有一個16位的當(dāng)前計數(shù)寄存器，表示當(dāng)前DMA傳輸事務(wù)還剩下多少未傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。在每個DMA傳輸事務(wù)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(wù)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(tǒng)RAM中的DMA緩沖區(qū)的起始位置在頁內(nèi)的偏移。

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

（5）頁寄存器（Page Register）：該寄存器定義了DMA緩沖區(qū)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(fā)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(dāng)一個DMA通道被屏蔽后，它就不能在服務(wù)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(xiàn)一次屏蔽所有4個DMA通道，如下：

（5）狀態(tài)寄存器（Status Register）

一個只讀的8位寄存器，表示各DMA通道的當(dāng)前狀態(tài)。比如：DMA通道是否正服務(wù)于一個DMA請求，或者某個DMA通道上的DMA傳輸事務(wù)已經(jīng)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(yīng)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(xù)的I/O端口讀寫操作，低8位首先被發(fā)送，然后緊接著發(fā)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(yīng)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(xù)的I/O端口讀寫操作，而且同樣是先發(fā)送低8位，再發(fā)送高8位。往這個寄存器中寫入的值應(yīng)該是實際要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度減1后的值。在DMA傳輸事務(wù)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(dāng)前DMA事務(wù)所剩余的未傳輸數(shù)據(jù)長度減1后的值。當(dāng)DMA傳輸事務(wù)結(jié)束時，該寄存器中的值應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，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 Free
6 16-bit Free
7 16-bit Free

2．5 啟動一個DMA傳輸事務(wù)的步驟

要啟動一個DMA傳輸事務(wù)必須對8237進行編程，其典型步驟如下：

1.通過CLI指令關(guān)閉中斷。

2.Disable那個將被用于此次DMA傳輸事務(wù)的DMA通道。

3.向Flip-Flop寄存器中寫入0值，以重置它。

4.設(shè)置Mode Register。

5.設(shè)置Page Register。

6.設(shè)置Address Register。

7.設(shè)置Count Register。

8.Enable那個將被用于此次DMA傳輸事務(wù)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(shè)備驅(qū)動程序?qū)λ莫氄荚L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(shè)備驅(qū)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(guān)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(tǒng)全局資源。任何ISA外設(shè)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(quán)，并在傳輸結(jié)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(xiàn)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)dma_chan來描述DMA通道資源。該結(jié)構(gòu)類型的定義如下：

struct dma_chan {
int lock;
const char *device_id;
};

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

基于上述結(jié)構(gòu)類型dma_chan，Linux定義了全局數(shù)組dma_chan_busy［］，以分別描述8個DMA通道資源各自的使用狀態(tài)。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(tài)時除了DMA通道4外，其余DMA通道皆處于free狀態(tài)。

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(shè)備驅(qū)動程序都必須向內(nèi)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(yīng)的DMA通道。否則就會發(fā)生資源沖突。

函數(shù)request_dma（）實現(xiàn)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(shù)的核心實現(xiàn)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(shè)備所占用，所以request_dma()函數(shù)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(tài)，于是xchg()將其lock成員設(shè)置為1，取得資源的使用權(quán)。

4．3 釋放DMA通道資源

DMA傳輸事務(wù)完成后，設(shè)備驅(qū)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(shè)將一直無法使用該DMA通道。

函數(shù)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(shù)的核心實現(xiàn)就是用原子操作xchg()將lock成員清零。

4．4 對/proc/dma文件的實現(xiàn)

文件／proc/dma將列出當(dāng)前8個DMA通道的使用狀況。Linux在kernel/Dma.c文件中實現(xiàn)了函數(shù)個get_dma_list()函數(shù)來至此/proc/dma文件的實現(xiàn)。函數(shù)get_dma_list()的實現(xiàn)比較簡單。主要就是遍歷數(shù)組dma_chan_busy[]，并將那些lock成員為非零值的數(shù)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(shè)備驅(qū)動程序

DMA雖然是一種硬件機制，但它離不開軟件（尤其是設(shè)備驅(qū)動程序）的配合。任何使用DMA進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腎SA設(shè)備驅(qū)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(shè)備驅(qū)動程序必須在一開始就調(diào)用request_dma()函數(shù)來向內(nèi)核申請DMA通道資源的使用權(quán)。而且，最好在設(shè)備驅(qū)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(diào)用這個函數(shù)。因為這在一定程度上可以讓多個設(shè)備共享DMA通道資源（只要多個設(shè)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(shè)備使用完DMA通道后，其驅(qū)動程序應(yīng)該記得調(diào)用free_dma()函數(shù)來釋放所占用的DMA通道資源。通常，最好再驅(qū)動程序的release（）方法中調(diào)用該函數(shù)，而不是在模塊的卸載例程中進行調(diào)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(qū)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(shè)備驅(qū)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(qū)

由于8237 DMAC只能尋址系統(tǒng)RAM中低16MB物理內(nèi)存，因此：ISA設(shè)備驅(qū)動程序在申請DMA緩沖區(qū)時，一定要以GFP_DMA標(biāo)志來調(diào)用kmalloc()函數(shù)或get_free_pages()函數(shù)，以便在系統(tǒng)內(nèi)存的DMA區(qū)中分配物理內(nèi)存。

5．3 編程DMAC

設(shè)備驅(qū)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(zhǔn)備啟動一個DMA傳輸事務(wù)。一個DMA傳輸事務(wù)有兩種典型的過程：（1）用戶請求設(shè)備進行DMA傳輸；（2）硬件異步地將外部數(shù)據(jù)寫道系統(tǒng)中。

用戶通過I/O請求觸發(fā)設(shè)備進行DMA傳輸?shù)牟襟E如下：

1.用戶進程通過系統(tǒng)調(diào)用read()／write()來調(diào)用設(shè)備驅(qū)動程序的read()方法或write()方法，然后由設(shè)備驅(qū)動程序read／write方法負責(zé)申請DMA緩沖區(qū)，對DMAC進行編程，以準(zhǔn)備啟動一個DMA傳輸事務(wù)，最后正確地設(shè)置設(shè)備(setup device)，并將用戶進程投入睡眠。

2.DMAC負責(zé)在DMA緩沖區(qū)和I/O外設(shè)之間進行數(shù)據(jù)傳輸，并在結(jié)束后觸發(fā)一個中斷。

3.設(shè)備的ISR檢查DMA傳輸事務(wù)是否成功地結(jié)束，并將數(shù)據(jù)從DMA緩沖區(qū)中拷貝到驅(qū)動程序的其他內(nèi)核緩沖區(qū)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(shù)據(jù)寫到系統(tǒng)中的步驟如下：

1.外設(shè)觸發(fā)一個中斷通知系統(tǒng)有新數(shù)據(jù)到達。

2.ISR申請一個DMA緩沖區(qū)，并對DMAC進行編程，以準(zhǔn)備啟動一個DMA傳輸事務(wù)，最后正確地設(shè)置好外設(shè)。

3.硬件將外部數(shù)據(jù)寫到DMA緩沖區(qū)中，DMA傳輸事務(wù)結(jié)束后，觸發(fā)一個中斷。

4. ISR檢查DMA傳輸事務(wù)是否成功地結(jié)束，然后將DMA緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)拷貝驅(qū)動程序的其他內(nèi)核緩沖區(qū)中，最后喚醒相關(guān)的等待進程。

網(wǎng)卡就是上述過程的一個典型例子。

為準(zhǔn)備一個DMA傳輸事務(wù)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(wù)是否成功地結(jié)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);