ISA总线的DMA技术

 

　　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-part

　　y 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威廉希尔官方网站 (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);