作者：詹榮開 摘要 本文主要從內核實現的角度分析了Linux 2.4.0內核對ISA總線接口的外設進行DMA傳輸的實現。本文是為那些想要了解Linux I/O子系統的讀者和Linux驅動程序開發人員而寫的。 申明：這份文檔是按照自由軟件開放源代碼的精神發布的，任何人可以免費獲得、使用和重新發布，但是你沒有限制別人重新發布你發布內容的權利。發布本文的目的是希望它能對讀者有用，但沒有任何擔保，甚至沒有適合特定目的的隱含的擔保。更詳細的情況請參閱GNU通用公共許可證(GPL)，以及GNU自由文檔協議(GFDL)。 你應該已經和文檔一起收到一份GNU通用公共許可證(GPL)的副本。如果還沒有，寫信給：The Free Software Foundation, Inc., 675 Mass Ave, Cambridge,MA02139, USA 歡迎各位指出文檔中的錯誤與疑問。 ---------------------------------------------------- DMA是一種無需CPU的參與就可以讓外設與系統RAM之間進行雙向（to device 或 from device）數據傳輸的硬件機制。使用DMA可以使系統CPU從實際的I/O數據傳輸過程中擺脫出來，從而大大提高系統的吞吐率（throughput）。 由於DMA是一種硬件機制，因此它通常與硬件體系結構是相關的，尤其是依賴於外設的總線技術。比如：ISA卡的DMA機制就與PCI卡的DMA機制有區別。本站主要討論ISA總線的DMA技術。 1.DMA概述 DMA是外設與主存之間的一種數據傳輸機制。一般來說，外設與主存之間存在兩種數據傳輸方法：（1）Pragrammed I/O（PIO）方法，也即由CPU通過內存讀寫指令或I/O指令來持續地讀寫外設的內存單元（8位、16位或32位），直到整個數據傳輸過程完成。（2）DMA，即由DMA控制器（DMA Controller，簡稱DMAC）來完成整個數據傳輸過程。在此期間，CPU可以並發地執行其他任務，當DMA結束後，DMAC通過中斷通知CPU數據傳輸已經結束，然後由CPU執行相應的ISR進行後處理。 DMA技術產生時正是ISA總線在PC中流行的時侯。因此，ISA卡的DMA數據傳輸是通過ISA總線控制芯片組中的兩個級聯8237 DMAC來實現的。這種DMA機制也稱為“標准DMA”（standard DMA）。標准DMA有時也稱為“第三方DMA”（third-party DMA），這是因為：系統DMAC完成實際的傳輸過程，所以它相對於傳輸過程的“前兩方”（傳輸的發送者和接收者）來說是“第三方”。 標准DMA技術主要有兩個缺點：（1）8237 DMAC的數據傳輸速度太慢，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I/O吞吐率提升的瓶頸。 鑒於上述兩個原因，PCI總線體系結構設計一種成為“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，進行傳輸的PCI卡必須取得系統總線的主控權後才能進行數據傳輸。實際的傳輸也不借助慢速的ISA DMAC來進行，而是由內嵌在PCI卡中的DMA電路（比傳統的ISA DMAC要快）來完成。Bus Mastering方式的DMA可以讓PCI外設得到它們想要的傳輸帶寬，因此它比標准DMA功能滿足現代高性能外設的要求。 隨著計算機外設技術的不斷發展，現代能提供更快傳輸速率的Ultra DMA（UDMA）也已經被廣泛使用了。本為隨後的篇幅只討論ISA總線的標准DMA技術在Linux中的實現。記住：ISA卡幾乎不使用Bus Mastering模式的DMA；而PCI卡只使用Bus Mastering模式的DMA，它從不使用標准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一起為系統提供8個DMA通道。與中斷控制器8259的級聯方式相反，第一個DMAC被級聯到第二個DMAC上，通道4被用於DMAC級聯，因此它對外設來說是不可用的。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的結構。 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：當前地址寄存器、當前計數寄存器、地址寄存器（也稱為偏移寄存器）、計數寄存器和頁寄存器。其中，前兩個是8237的內部寄存器，對外部是不可見的。 （1）當前地址寄存器（Current Address Register）：每個DMA通道都有一個16位的當前地址寄存器，表示一個DMA傳輸事務（Transfer Transaction）期間當前DMA傳輸操作的DMA物理內存地址。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；在傳輸事務期間的每次DMA傳輸操作之後該寄存器的值都會被自動地增加或減小。 （2）當前計數寄存器（Current Count Register）：每個每個DMA通道都有一個16位的當前計數寄存器，表示當前DMA傳輸事務還剩下多少未傳輸的數據。在每個DMA傳輸事務開始之前，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。在傳輸事務期間的每次DMA傳輸操作之後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RAM中的DMA緩沖區的起始位置在頁內的偏移。 （4）計數寄存器（Count Register）：每個DMA通道都有一個16位的計數寄存器，表示DMA緩沖區的大小。 （5）頁寄存器（Page Register）：該寄存器定義了DMA緩沖區的起始位置所在物理頁的基地址，即頁號。頁寄存器有點類似於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） 用於控制各DMA通道的傳輸模式，如下所示： （3）請求寄存器（Request Register） 用於向各DMA通道發出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。當一個DMA通道被屏蔽後，它就不能在服務於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，可以實現一次屏蔽所有4個DMA通道，如下： （5）狀態寄存器（Status Register） 一個只讀的8位寄存器，表示各DMA通道的當前狀態。比如：DMA通道是否正服務於一個DMA請求，或者某個DMA通道上的DMA傳輸事務已經完成。各位的定義如下： 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端口地址對於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的I/O端口讀寫操作，低8位首先被發送，然後緊接著發送高8位。 2. 各DMA通道的Count Register：這也是一個16位寬的寄存器（無論對於8位DMA還是16位DMA），但相對應的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的I/O端口讀寫操作，而且同樣是先發送低8位，再發送高8位。往這個寄存器中寫入的值應該是實際要傳輸的數據長度減1後的值。在DMA傳輸事務期間，這個寄存器中的值在每次DMA傳輸操作後都會被減1，因此讀取這個寄存器所得到的值將是當前DMA事務所剩余的未傳輸數據長度減1後的值。當DMA傳輸事務結束時，該寄存器中的值應該被置為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於一些PC機中的標准外設，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傳輸事務的步驟 要啟動一個DMA傳輸事務必須對8237進行編程，其典型步驟如下： 1.通過CLI指令關閉中斷。 2.Disable那個將被用於此次DMA傳輸事務的DMA通道。 3.向Flip-Flop寄存器中寫入0值，以重置它。 4.設置Mode Register。 5.設置Page Register。 6.設置Address Register。 7.設置Count Register。 8.Enable那個將被用於此次DMA傳輸事務的DMA通道。 9.用STI指令開中斷。 3 Linux對讀寫操作8237 DMAC的實現 由於DMAC的各寄存器是在I/O端口空間中編址的，因此讀寫8237 DMAC是平台相關的。對於x86平台來說，Linux在include／asm-i386／Dma.h頭文件中實現了對兩個8237 DMAC的讀寫操作。 3．1 端口地址和寄存器值的宏定義 Linux用宏MAX_DMA_CHANNELS來表示系統當前的DMA通道個數，如下： #define MAX_DMA_CHANNELS 8 然後，用宏IO_DMA1_BASE和IO_DMA2_BASE來分別表示兩個DMAC在I/O端口空間的端口基地址： #define IO_DMA1_BASE 0x00 /* 8 bit slave DMA, channels 0..3 */ #define IO_DMA2_BASE 0xC0 /* 16 bit master DMA, ch 4(=slave input)..7 */ 接下來，Linux定義了DMAC各控制寄存器的端口地址。其中，slave SMAC的各控制寄存器的端口地址定義如下： #define DMA1_CMD_REG 0x08 /* command register (w) */ #define DMA1_STAT_REG 0x08 /* status register (r) */ #define DMA1_REQ_REG 0x09 /* request register (w) */ #define DMA1_MASK_REG 0x0A /* single-channel mask (w) */ #define DMA1_MODE_REG 0x0B /* mode register (w) */ #define DMA1_CLEAR_FF_REG 0x0C /* clear pointer flip-flop (w) */ #define DMA1_TEMP_REG 0x0D /* Temporary Register (r) */ #define DMA1_RESET_REG 0x0D /* Master Clear (w) */ #define DMA1_CLR_MASK_REG 0x0E /* Clear Mask */ #define DMA1_MASK_ALL_REG 0x0F /* all-channels mask (w) */ Master DMAC的各控制寄存器的端口地址定義如下： #define DMA2_CMD_REG 0xD0 /* command register (w) */ #define DMA2_STAT_REG 0xD0 /* status register (r) */ #define DMA2_REQ_REG 0xD2 /* request register (w) */ #define DMA2_MASK_REG 0xD4 /* single-channel mask (w) */ #define DMA2_MODE_REG 0xD6 /* mode register (w) */ #define DMA2_CLEAR_FF_REG 0xD8 /* clear pointer flip-flop (w) */ #define DMA2_TEMP_REG 0xDA /* Temporary Register (r) */ #define DMA2_RESET_REG 0xDA /* Master Clear (w) */ #define DMA2_CLR_MASK_REG 0xDC /* Clear Mask */ #define DMA2_MASK_ALL_REG 0xDE /* all-channels mask (w) */ 8個DMA通道的Address Register的端口地址定義如下： #define DMA_ADDR_0 0x00 /* DMA address registers */ #define DMA_ADDR_1 0x02 #define DMA_ADDR_2 0x04 #define DMA_ADDR_3 0x06 #define DMA_ADDR_4 0xC0 #define DMA_ADDR_5 0xC4 #define DMA_ADDR_6 0xC8 #define DMA_ADDR_7 0xCC 8個DMA通道的Count Register的端口地址定義如下： #define DMA_CNT_0 0x01 /* DMA count registers */ #define DMA_CNT_1 0x03 #define DMA_CNT_2 0x05 #define DMA_CNT_3 0x07 #define DMA_CNT_4 0xC2 #define DMA_CNT_5 0xC6 #define DMA_CNT_6 0xCA #define DMA_CNT_7 0xCE 8個DMA通道的Page Register的端口地址定義如下： #define DMA_PAGE_0 0x87 /* DMA page registers */ #define DMA_PAGE_1 0x83 #define DMA_PAGE_2 0x81 #define DMA_PAGE_3 0x82 #define DMA_PAGE_5 0x8B #define DMA_PAGE_6 0x89 #define DMA_PAGE_7 0x8A Mode Register的幾個常用值的定義如下： #define DMA_MODE_READ 0x44 /* I/O to memory, no autoinit, increment, single mode */ #define DMA_MODE_WRITE 0x48 /* memory to I/O, no autoinit, increment, single mode */ #define DMA_MODE_CASCADE 0xC0 /* pass thru DREQ->HRQ, DACK<-HLDA only */ #define DMA_AUTOINIT 0x10 3．2 讀寫DMAC的高層接口函數 （1）使能／禁止一個特定的DMA通道 Single Channel Mask Register中的bit［2］為0表示使能一個DMA通道，為1表示禁止一個DMA通道；而該寄存器中的bit［1：0］則用於表示使能或禁止哪一個DMA通道。 函數enable_dma()實現使能某個特定的DMA通道，傳輸dmanr指定DMA通道號，其取值范圍是0～DMA_MAX_CHANNELS－1。如下： static __inline__ void enable_dma(unsigned int dmanr) { if (dmanr<=3) dma_outb(dmanr, DMA1_MASK_REG); else dma_outb(dmanr & 3, DMA2_MASK_REG); } 宏dma_outb和dma_inb實際上就是outb（或outb_p）和inb函數。注意，當dmanr取值大於3時，對應的是Master DMAC上的DMA通道0～3，因此在寫DMA2_MASK_REG之前，要將dmanr與值3進行與操作，以得到它在master DMAC上的局部通道編號。 函數disable_dma()禁止一個特定的DMA通道，其源碼如下： static __inline__ void disable_dma(unsigned int dmanr) { if (dmanr<=3) dma_outb(dmanr 4, DMA1_MASK_REG); else dma_outb((dmanr & 3) 4, DMA2_MASK_REG); } 為禁止某個DMA通道，Single Channel Mask Register中的bit［2］應被置為1。 （2）清除Flip-Flop寄存器 函數Clear_dma_ff()實現對slave/Master DMAC的Flip-Flop寄存器進行清零操作。如下： static __inline__ void clear_dma_ff(unsigned int dmanr) { if (dmanr<=3) dma_outb(0, DMA1_CLEAR_FF_REG); else dma_outb(0, DMA2_CLEAR_FF_REG); } （3）設置某個特定DMA通道的工作模式 函數set_dma_mode()實現設置一個特定DMA通道的工作模式。如下： static __inline__ void set_dma_mode(unsigned int dmanr, char mode) { if (dmanr<=3) dma_outb(mode dmanr, DMA1_MODE_REG); else dma_outb(mode (dmanr&3), DMA2_MODE_REG); } DMAC 的Mode Register中的bit［1：0］指定對該DMAC上的哪一個DMA通道進行模式設置。 （4）為DMA通道設置DMA緩沖區的起始物理地址和大小 由於8237中的DMA通道是通過一個8位的Page Register和一個16位的Address Register來尋址位於系統RAM中的DMA緩沖區，因此8237 DMAC最大只能尋址系統RAM中物理地址在0x000000～0xffffff范圍內的DMA緩沖區，也即只能尋址物理內存的低16MB（24位物理地址）。反過來講，Slave／Master 8237 DMAC又是如何尋址低16MB中的物理內存單元的呢？ 首先來看Slave 8237 DMAC（即第一個8237 DMAC）。由於Slave 8237 DMAC是一個8位的DMAC，因此DMA通道0～3在一次DMA傳輸操作（一個DMA傳輸事務又多次DMA傳輸操作組成）中只能傳輸8位數據，即一個字節。Slave 8237 DMAC將低16MB物理內存分成256個64K大小的頁（Page），然後用Page Register來表示內存單元物理地址的高8位（bit［23：16］），也即頁號；用Address Register來表示內存單元物理地址在一個Page（64KB大小）內的頁內偏移量，也即24位物理地址中的低16位（bit［15：0］）。由於這種尋址機制，因此DMA通道0～3的DMA緩沖區必須在一個Page之內，也即DMA緩沖區不能跨越64KB頁邊界。 再來看看Master 8237 DMAC（即第二個8237 DMAC）。這是一個16位寬的DMAC，因此DMA通道5～7在一次DMA傳輸操作時可以傳輸16位數據，也即一個字Word。此時DMA通道的Count Register（16位寬）表示以字計的待傳輸數據塊大小，因此數據塊最大可達128KB（64K個字），也即系統RAM中的DMA緩沖區最大可達128KB。由於一次可傳輸一個字，因此Master 8237 DMAC所尋址的內存單元的物理地址肯定是偶數，也即物理地址的bit［0］肯定為0。此時物理內存的低16MB被化分成128個128KB大小的page，Page Register中的bit［7：1］用來表示頁號，也即對應內存單元物理地址的bit［23：17］，而Page Register的bit［0］總是被設置為0。Address Register用來表示內存單元在128KB大小的Page中的頁內偏移，也即對應內存單元物理地址的bit［16：1］（由於此時物理地址的bit［0］總是為0，因此不需要表示）。由於Master 8237 DMAC的這種尋址機制，因此DMA通道5～7的DMA緩沖區不能跨越128KB的頁邊界。 下面我們來看看Linux是如何實現為各DMA通道設置其Page寄存器的。NOTE！DMA通道5～7的Page Register中的bit［0］總是為0。如下所示： static __inline__ void set_dma_page(unsigned int dmanr, char pagenr) { switch(dmanr) { case 0: dma_outb(pagenr, DMA_PAGE_0); break; case 1: dma_outb(pagenr, DMA_PAGE_1); break; case 2: dma_outb(pagenr, DMA_PAGE_2); break; case 3: dma_outb(pagenr, DMA_PAGE_3); break; case 5: dma_outb(pagenr & 0xfe, DMA_PAGE_5); break; case 6: dma_outb(pagenr & 0xfe, DMA_PAGE_6); break; case 7: dma_outb(pagenr & 0xfe, DMA_PAGE_7); break; } } 在上述函數的基礎上，函數set_dma_addr()用來為特定DMA通道設置DMA緩沖區的基地址，傳輸dmanr指定DMA通道號，傳輸a指定位於系統RAM中的DMA緩沖區起始位置的物理地址。如下： /* Set transfer address & page bits for specific DMA channel. * Assumes dma flipflop is clear. */ static __inline__ void set_dma_addr(unsigned int dmanr, unsigned int a) { set_dma_page(dmanr, a>>16); if (dmanr <= 3) { dma_outb( a & 0xff, ((dmanr&3)<<1) + IO_DMA1_BASE ); dma_outb( (a>>8) & 0xff, ((dmanr&3)<<1) + IO_DMA1_BASE ); } else { dma_outb( (a>>1) & 0xff, ((dmanr&3)<<2) + IO_DMA2_BASE ); dma_outb( (a>>9) & 0xff, ((dmanr&3)<<2) + IO_DMA2_BASE ); } } 函數set_dma_count()為特定DMA通道設置其Count Register的值。傳輸dmanr指定DMA通道，傳輸count指定待傳輸的數據塊大小（以字節計），實際寫到Count Register中的值應該是count－1。如下所示： static __inline__ void set_dma_count(unsigned int dmanr, unsigned int count) { count--; if (dmanr <= 3) { dma_outb( count & 0xff, ((dmanr&3)<<1) + 1 + IO_DMA1_BASE ); dma_outb( (count>>8) & 0xff, ((dmanr&3)<<1) + 1 + IO_DMA1_BASE ); } else { dma_outb( (count>>1) & 0xff, ((dmanr&3)<<2) + 2 + IO_DMA2_BASE ); dma_outb( (count>>9) & 0xff, ((dmanr&3)<<2) + 2 + IO_DMA2_BASE ); } } 函數get_dma_residue()獲取某個DMA通道上當前DMA傳輸事務的未傳輸剩余數據塊的大小（以字節計）。DMA通道的Count Register的值在當前DMA傳輸事務進行期間會不斷地自動將減小，直到當前DMA傳輸事務完成，Count Register的值減小為0。如下： static __inline__ int get_dma_residue(unsigned int dmanr) { unsigned int io_port = (dmanr<=3)? ((dmanr&3)<<1) + 1 + IO_DMA1_BASE : ((dmanr&3)<<2) + 2 + IO_DMA2_BASE; /* using short to get 16-bit wrap around */ unsigned short count; count = 1 + dma_inb(io_port); count += dma_inb(io_port) << 8; return (dmanr<=3)? count : (count<<1); } 3．3 對DMAC的保護 DMAC是一種全局的共享資源，為了保證設備驅動程序對它的獨占訪問，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的設備驅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通道是一種系統全局資源。任何ISA外設想要進行DMA傳輸，首先都必須取得某個DMA通道資源的使用權，並在傳輸結束後釋放所使用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文件中定義了數據結構dma_chan來描述DMA通道資源。該結構類型的定義如下： strUCt dma_chan { int lock; const char *device_id; }; 其中，如果成員lock！＝0則表示DMA通道正被某個設備所使用；否則該DMA通道就處於free狀態。而成員device_id就指向使用該DMA通道的設備名字字符串。 基於上述結構類型dma_chan，Linux定義了全局數組dma_chan_busy［］，以分別描述8個DMA通道資源各自的使用狀態。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，在初始狀態時除了DMA通道4外，其余DMA通道皆處於free狀態。 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，其設備驅動程序都必須向內核提出DMA通道資源的申請。只有申請獲得成功後才能使用相應的DMA通道。否則就會發生資源沖突。 函數request_dma（）實現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; } 上述函數的核心實現就是用原子操作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通道已被其他設備所占用，所以request_dma()函數返回錯誤值－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通道正處於free狀態，於是xchg()將其lock成員設置為1，取得資源的使用權。 4．3 釋放DMA通道資源 DMA傳輸事務完成後，設備驅動程序一定要記得釋放所占用的DMA通道資源。否則別的外設將一直無法使用該DMA通道。 函數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，上述函數的核心實現就是用原子操作xchg()將lock成員清零。 4．4 對/proc/dma文件的實現 文件／proc/dma將列出當前8個DMA通道的使用狀況。Linux在kernel/Dma.c文件中實現了函數個get_dma_list()函數來至此/proc/dma文件的實現。函數get_dma_list()的實現比較簡單。主要就是遍歷數組dma_chan_busy[]，並將那些lock成員為非零值的數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[i].lock) { len += sprintf(buf+len, "%2d: %s ", i, dma_chan_busy[i].device_id); } } return len; } /* get_dma_list */ 5 使用DMA的ISA設備驅動程序 DMA雖然是一種硬件機制，但它離不開軟件（尤其是設備驅動程序）的配合。任何使用DMA進行數據傳輸的ISA設備驅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，設備驅動程序必須在一開始就調用request_dma()函數來向內核申請DMA通道資源的使用權。而且，最好在設備驅動程序的open()方法中完成這個操作，而不是在模塊的初始化例程中調用這個函數。因為這在一定程度上可以讓多個設備共享DMA通道資源（只要多個設備不同時使用一個DMA通道）。這種共享有點類似於進程對CPU的分時共享：－） 設備使用完DMA通道後，其驅動程序應該記得調用free_dma()函數來釋放所占用的DMA通道資源。通常，最好再驅動程序的release（）方法中調用該函數，而不是在模塊的卸載例程中進行調用。 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)，驅動程序一定要在申請了中斷號資源後才申請DMA通道資源。釋放時則要先釋放DMA通道，然後再釋放中斷號資源。 使用DMA的ISA設備驅動程序的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 由於8237 DMAC只能尋址系統RAM中低16MB物理內存，因此：ISA設備驅動程序在申請DMA緩沖區時，一定要以GFP_DMA標志來調用kmalloc()函數或get_free_pages()函數，以便在系統內存的DMA區中分配物理內存。 5．3 編程DMAC 設備驅動程序可以在他的read()方法、write()方法或ISR中對DMAC進行編程，以便准備啟動一個DMA傳輸事務。一個DMA傳輸事務有兩種典型的過程：（1）用戶請求設備進行DMA傳輸；（2）硬件異步地將外部數據寫道系統中。 用戶通過I/O請求觸發設備進行DMA傳輸的步驟如下： 1.用戶進程通過系統調用read()／write()來調用設備驅動程序的read()方法或write()方法，然後由設備驅動程序read／write方法負責申請DMA緩沖區，對DMAC進行編程，以准備啟動一個DMA傳輸事務，最後正確地設置設備(setup device)，並將用戶進程投入睡眠。 2.DMAC負責在DMA緩沖區和I/O外設之間進行數據傳輸，並在結束後觸發一個中斷。 3.設備的ISR檢查DMA傳輸事務是否成功地結束，並將數據從DMA緩沖區中拷貝到驅動程序的其他內核緩沖區中（對於I/O device to memory的情況）。然後喚醒睡眠的用戶進程。 硬件異步地將外部數據寫到系統中的步驟如下： 1.外設觸發一個中斷通知系統有新數據到達。 2.ISR申請一個DMA緩沖區，並對DMAC進行編程，以准備啟動一個DMA傳輸事務，最後正確地設置好外設。 3.硬件將外部數據寫到DMA緩沖區中，DMA傳輸事務結束後，觸發一個中斷。 4. ISR檢查DMA傳輸事務是否成功地結束，然後將DMA緩沖區中的數據拷貝驅動程序的其他內核緩沖區中，最後喚醒相關的等待進程。 網卡就是上述過程的一個典型例子。 為准備一個DMA傳輸事務而對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傳輸事務是否成功地結束的代碼段如下： int residue; unsigned long flags = claim_dma_lock(); residue = get_dma_residue(dmanr); release_dma_lock(flags); ASSERT(residue == 0); 注：本節大部分內容來自於ldd2。
