1.DMA概述
DMA是外设与主存之间的一种数据传输机制。一般来说，外设与主存之间存在两种数据传输方法：(1)Pragrammed I/O(PIO)方法，也即由CPU通过内存读写指令或I/O指令来持续地读写外设的内存单元(8位、16位或32位)，直到整个数据传输过程完成。(2)DMA，即由DMA控制器(DMA Controller，简称DMAC)来完成整个数据传输过程。在此期间，CPU可以并发地执行其他任务，当DMA结束后，DMAC通过中断通知CPU数据传输已经结束，然后由CPU执行相应的ISR进行后处理。
DMA技术产生时正是ISA总线在PC中流行的时侯。因此，ISA卡的DMA数据传输是通过ISA总线控制芯片组中的两个级联8237 DMAC来实现的。这种DMA机制也称为“标准DMA”(standard DMA)。标准DMA有时也称为“第三方DMA”(third-party DMA)，这是因为：系统DMAC完成实际的传输过程，所以它相对于传输过程的“前两方”(传输的发送者和接收者)来说是“第三方”。
标准DMA技术主要有两个缺点：(1)8237 DMAC的数据传输速度太慢，不能与更高速的总线(如PCI)配合使用。(2)两个8237 DMAC一起只提供了8个DMA通道，这也成为了限制系统I/O吞吐率提升的瓶颈。
鉴于上述两个原因，PCI总线体系结构设计一种成为“第一方DMA”(first-party DMA)的DMA机制，也称为“Bus Mastering”(总线主控)。在这种情况下，进行传输的PCI卡必须取得系统总线的主控权后才能进行数据传输。实际的传输也不借助慢速的ISA DMAC来进行，而是由内嵌在PCI卡中的DMA电路(比传统的ISA DMAC要快)来完成。Bus Mastering方式的DMA可以让PCI外设得到它们想要的传输带宽，因此它比标准DMA功能满足现代高性能外设的要求。
随着计算机外设技术的不断发展，现代能提供更快传输速率的Ultra DMA(UDMA)也已经被广泛使用了。本为随后的篇幅只讨论ISA总线的标准DMA技术在Linux中的实现。记住：ISA卡几乎不使用Bus Mastering模式的DMA;而PCI卡只使用Bus Mastering模式的DMA，它从不使用标准DMA。
2.Intel 8237 DMAC
最初的IBM PC/XT中只有一个8237 DMAC，它提供了4个8位的DMA通道(DMA channel 0-3)。从IBM AT开始，又增加了一个8237 DMAC(提供4个16位的DMA通道，DMA channel 4-7)。两个8237 DMAC一起为系统提供8个DMA通道。与中断控制器8259的级联方式相反，第一个DMAC被级联到第二个DMAC上，通道4被用于DMAC级联，因此它对外设来说是不可用的。第一个DMAC也称为“slave DAMC”，第二个DMAC也称为“Master DMAC”。
下面我们来详细叙述一下Intel 8237这个DMAC的结构。
每个8237 DMAC都提供4个DMA通道，每个DMA通道都有各自的寄存器，而8237本身也有一组控制寄存器，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中的每个DMA通道都有5个寄存器，分别是：当前地址寄存器、当前计数寄存器、地址寄存器(也称为偏移寄存器)、计数寄存器和页寄存器。其中，前两个是8237的内部寄存器，对外部是不可见的。
(1)当前地址寄存器(Current Address Register)：每个DMA通道都有一个16位的当前地址寄存器，表示一个DMA传输事务(Transfer Transaction)期间当前DMA传输操作的DMA物理内存地址。在每个DMA传输开始前，8237都会自动地用该通道的Address Register中的值来初始化这个寄存器;在传输事务期间的每次DMA传输操作之后该寄存器的值都会被自动地增加或减小。
(2)当前计数寄存器(Current Count Register)：每个每个DMA通道都有一个16位的当前计数寄存器，表示当前DMA传输事务还剩下多少未传输的数据。在每个DMA传输事务开始之前，8237都会自动地用该通道的Count Register中的值来初始化这个寄存器。在传输事务期间的每次DMA传输操作之后该寄存器的值都会被自动地增加或减小(步长为1)。
(3)地址寄存器(Address Register)或偏移寄存器(Offset Register)：每个DMA通道都有一个16位的地址寄存器，表示系统RAM中的DMA缓冲区的起始位置在页内的偏移。
(4)计数寄存器(Count Register)：每个DMA通道都有一个16位的计数寄存器，表示DMA缓冲区的大小。
(5)页寄存器(Page Register)：该寄存器定义了DMA缓冲区的起始位置所在物理页的基地址，即页号。页寄存器有点类似于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)
这个8位的寄存器用来控制8237芯片的操作。其各位的定义如下图所示：
(2)模式寄存器(Mode Register)
用于控制各DMA通道的传输模式，如下所示：
(3)请求寄存器(Request Register)
用于向各DMA通道发出DMA请求。各位的定义如下：
(4)屏蔽寄存器(Mask Register)用来屏蔽
某个DMA通道。当一个DMA通道被屏蔽后，它就不能在服务于DMA请求，直到通道的屏蔽码被清除。各位的定义如下：
上述屏蔽寄存器也称为“单通道屏蔽寄存器”(Single Channel Mask Register)，因为它一次只能屏蔽一个通道。此外含有一个屏蔽寄存器，可以实现一次屏蔽所有4个DMA通道，如下：
(5)状态寄存器(Status Register)
一个只读的8位寄存器，表示各DMA通道的当前状态。比如：DMA通道是否正服务于一个DMA请求，或者某个DMA通道上的DMA传输事务已经完成。
2.3 8237 DMAC的I/O端口地址
主、从8237 DMAC的各个寄存器都是编址在I/O端口空间的。而且其中有些I/O端口地址对于I/O读、写操作有不同的表示含义。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端口空间中的地址如下：
DMA channel Page Register’sI/O port address
0 0x087
1 0x083
2 0x081
3 0x082
4 0x08f
5 0x08b
6 0x089
7 0x08a
注意两点：
1. 各DMA通道的Address Register是一个16位的寄存器，但其对应的I/O端口是8位宽，因此对这个寄存器的读写就需要两次连续的I/O端口读写操作，低8位首先被发送，然后紧接着发送高8位。
2. 各DMA通道的Count Register：这也是一个16位宽的寄存器(无论对于8位DMA还是16位DMA)，但相对应的I/O端口也是8位宽，因此读写这个寄存器同样需要两次连续的I/O端口读写操作，而且同样是先发送低8位，再发送高8位。往这个寄存器中写入的值应该是实际要传输的数据长度减1后的值。在DMA传输事务期间，这个寄存器中的值在每次DMA传输操作后都会被减1，因此读取这个寄存器所得到的值将是当前DMA事务所剩余的未传输数据长度减1后的值。当DMA传输事务结束时，该寄存器中的值应该被置为0。
2.4 DMA通道的典型使用
在一个典型的PC机中，某些DMA通道通常被固定地用于一些PC机中的标准外设，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 Fr
ee
6 16-bit Free
7 16-bit Free
2.5 启动一个DMA传输事务的步骤
要启动一个DMA传输事务必须对8237进行编程，其典型步骤如下：
1.通过CLI指令关闭中断。
2.Disable那个将被用于此次DMA传输事务的DMA通道。
3.向Flip-Flop寄存器中写入0值，以重置它。
4.设置Mode Register。
5.设置Page Register。
6.设置Address Register。
7.设置Count Register。
8.Enable那个将被用于此次DMA传输事务的DMA通道。
9.用STI指令开中断。
3.3 对DMAC的保护
DMAC是一种全局的共享资源，为了保证设备驱动程序对它的独占访问，Linux在kernel/dma.c文件中定义了自旋锁dma_spin_lock来保护它(实际上是保护DMAC的I/O端口资源)。任何想要访问DMAC的设备驱动程序都首先必须先持有自旋锁dma_spin_lock。如下：
static __inline__ unsigned long claim_dma_lock(void)
{
unsigned long flags;
spin_lock_irqsave(&dma_spin_lock, flags); /* 关中断，加锁*/
return flags;
}
static __inline__ void release_dma_lock(unsigned long flags)
{
spin_unlock_irqrestore(&dma_spin_lock, flags);/* 开中断，开锁*/
}4 Linux对ISA DMA通道资源的管理
DMA通道是一种系统全局资源。任何ISA外设想要进行DMA传输，首先都必须取得某个DMA通道资源的使用权，并在传输结束后释放所使用DMA通道资源。从这个角度看，DMA通道资源是一种共享的独占型资源。
Linux在kernel/Dma.c文件中实现了对DMA通道资源的管理。
4.1 对DMA通道资源的描述
Linux在kernel/Dma.c文件中定义了数据结构dma_chan来描述DMA通道资源。该结构类型的定义如下：
struct dma_chan {
int lock;
const char *device_id;
};
其中，如果成员lock!=0则表示DMA通道正被某个设备所使用;否则该DMA通道就处于free状态。而成员device_id就指向使用该DMA通道的设备名字字符串。
基于上述结构类型dma_chan，Linux定义了全局数组dma_chan_busy[]，以分别描述8个DMA通道资源各自的使用状态。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 }
};
显然，在初始状态时除了DMA通道4外，其余DMA通道皆处于free状态。
4.2 DMA通道资源的申请
任何ISA卡在使用某个DMA通道进行DMA传输之前，其设备驱动程序都必须向内核提出DMA通道资源的申请。只有申请获得成功后才能使用相应的DMA通道。否则就会发生资源冲突。
函数request_dma()实现DMA通道资源的申请。其源码如下：
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;
}
上述函数的核心实现就是用原子操作xchg()让成员变量dma_chan_busy[dmanr].lock和值1进行交换操作，xchg()将返回lock成员在交换操作之前的值。因此：如果xchg()返回非0值，这说明dmanr所指定的DMA通道已被其他设备所占用，所以request_dma()函数返回错误值-EBUSY表示指定DMA通道正忙;否则，如果xchg()返回0值，说明dmanr所指定的DMA通道正处于free状态，于是xchg()将其lock成员设置为1，取得资源的使用权。
4.3 释放DMA通道资源
DMA传输事务完成后，设备驱动程序一定要记得释放所占用的DMA通道资源。否则别的外设将一直无法使用该DMA通道。
函数free_dma()释放指定的DMA通道资源。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 */
显然，上述函数的核心实现就是用原子操作xchg()将lock成员清零。
4.4 对/proc/dma文件的实现
文件/proc/dma将列出当前8个DMA通道的使用状况。Linux在kernel/Dma.c文件中实现了函数个get_dma_list()函数来至此/proc/dma文件的实现。函数get_dma_list()的实现比较简单。主要就是遍历数组dma_chan_busy[]，并将那些lock成员为非零值的数组元素输出到列表中即可。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设备驱动程序
DMA虽然是一种硬件机制，但它离不开软件(尤其是设备驱动程序)的配合。任何使用DMA进行数据传输的ISA设备驱动程序都必须遵循一定的框架。5.1 DMA通道资源的申请与释放
同I/O端口资源类似，设备驱动程序必须在一开始就调用request_dma()函数来向内核申请DMA通道资源的使用权。而且，最好在设备驱动程序的open()方法中完成这个操作，而不是在模块的初始化例程中调用这个函数。因为这在一定程度上可以让多个设备共享DMA通道资源(只要多个设备不同时使用一个DMA通道)。这种共享有点类似于进程对CPU的分时共享。
设备使用完DMA通道后，其驱动程序应该记得调用free_dma()函数来释放所占用的DMA通道资源。通常，最好再驱动程序的release()方法中调用该函数，而不是在模块的卸载例程中进行调用。
还需要注意的一个问题是：资源的申请顺序。为了避免死锁(deadlock)，驱动程序一定要在申请了中断号资源后才申请DMA通道资源。释放时则要先释放DMA通道，然后再释放中断号资源。
使用DMA的ISA设备驱动程序的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()方法的范例代码如下：
void xxx_release(struct inode * inode, struct file * filp)
{
┆
free_dma(dmanr);
free_irq(irq,NULL);
┆
}
5.2 申请DMA缓冲区
由于8237 DMAC只能寻址系统RAM中低16MB物理内存，因此：ISA设备驱动程序在申请DMA缓冲区时，一定要以GFP_DMA标志来调用kmalloc()函数或get_free_pages()函数，以便在系统内存的DMA区中分配物理内存。
5.3 编程DMAC
设备驱动程序可以在他的read()方法、write()方法或ISR中对DMAC进行编程，以便准备启动一个DMA传输事务。一个DMA传输事务有两种典型的过程：(1)用户请求设备进行DMA传输;(2)硬件异步地将外部数据写道系统中。
用户通过I/O请求触发设备进行DMA传输的步骤如下：
1.用户进程通过系统调用read()/write()来调用设备驱动程序的read()方法或write()方法，然后由设备驱动程序read/write方法负责申请DMA缓冲区，对DMAC进行编程，以准备启动一个DMA传输事务，最后正确地设置设备(setup device)，并将用户进程投入睡眠。
2.DMAC负责在DMA缓冲区和I/O外设之间进行数据传输，并在结束后触发一个中断。
3.设备的ISR检查DMA传输事务是否成功地结束，并将数据从DMA缓冲区中拷贝到驱动程序的其他内核缓冲区中(对于I/O device to memory的情况)。然后唤醒睡眠的用户进程。
硬件异步地将外部数据写到系统中的步骤如下：
1.外设触发一个中断通知系统有新数据到达。
2.ISR申请一个DMA缓冲区，并对DMAC进行编程，以准备启动一个DMA传输事务，最后正确地设置好外设。
3.硬件将外部数据写到DMA缓冲区中，DMA传输事务结束后，触发一个中断。
4. ISR检查DMA传输事务是否成功地结束，然后将DMA缓冲区中的数据拷贝驱动程序的其他内核缓冲区中，最后唤醒相关的等待进程。
网卡就是上述过程的一个典型例子。
为准备一个DMA传输事务而对DMAC进行编程的典型代码段如下：
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);
检查一个DMA传输事务是否成功地结束的代码段如下：
int residue;
unsigned long flags = claim_dma_lock();
residue = get_dma_residue(dmanr);
release_dma_lock(flags);
ASSERT(residue == 0);