說到DMA，就會想到Cache，兩者本身似乎是好不相關的事物。的確，假設DMA針對內(nèi)存的目的地址和Cache緩存的對象沒有重疊區(qū)域，DMA和Cache之間就相安無事，但是，如果有重疊呢，經(jīng)過DMA操作，Cache緩存對應的內(nèi)存的數(shù)據(jù)已經(jīng)被修改，而CPU本身并不知道，它仍然認為Cache中的數(shù)據(jù)仍然還是內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，以后訪問Cache映射的內(nèi)存時，它仍然使用陳舊的Cache數(shù)據(jù)，這就會發(fā)生Cache與內(nèi)存之間數(shù)據(jù)"不一致性"的錯誤。一旦出現(xiàn)這樣的情況，沒有處理好，驅(qū)動就將無法正常運行。那么怎樣解決呢？最簡單的方法是直接禁止DMA目標地址范圍內(nèi)內(nèi)存的Cache功能，當然這是犧牲性能的，但卻高可靠。不是嗎，所以這兩者之間究竟怎么平衡，還真不好解決。  其實啊，Cache不一致的情況在其他地方也是可能發(fā)生的，比如，對于帶MMU功能的arm處理器，在開啟MMU之前，需要設置Cache無效，TLB也是如此。

說了，那么多DMA理論的東西，剩下的來點Linux下DMA編程的東西，當然，這里也是點一下，具體怎么操作，我可要賣個關子到下節(jié)了。 在內(nèi)存中用于與外設交互數(shù)據(jù)的一塊區(qū)域被稱作DMA緩沖區(qū)，在設備不支持scatter/gatherCSG,分散/聚集操作的情況下，DMA緩沖區(qū)必須是物理上聯(lián)系的。

對于ISA設備而言，其DMA操作只能在16MB以下的內(nèi)存進行，因此，在使用kmalloc（）和__get_free_pages（）及其類似函數(shù)申請DMA緩沖區(qū)時應使用GFP_DMA標志，這樣能保證獲得的內(nèi)存是具備DMA能力的。內(nèi)核中定義了__get_free_pages（）針對DMA的"快捷方式"__get_dma_pages（），它在申請標志中添加了GFP_DMA,如下所示：

#define __get_dma__pages（gfp_mask, order） 

__get_free_pages（（gfp_mask） | GFP_DMA, （order））

"我不想使用order為參數(shù)的申請DMA內(nèi)存，感覺就是怪怪的，那咋辦？"

那？這樣吧，你就用另外一個函數(shù)dma_mem_alloc（）源代碼如下：

/* dma_mem_alloc（）返回值為虛擬地址 */

static unsigned long dma_mem_alloc（int size）

{

int order = get_order（size）；//大小->指數(shù)

return __get_dma_pages（GFP_KERNEL, order）；

}

上節(jié)我們說到了dma_mem_alloc（）函數(shù)，需要說明的是DMA的硬件使用總線地址而非物理地址，總線地址是從設備角度上看到的內(nèi)存地址，物理地址是從CPU角度上看到的未經(jīng)轉(zhuǎn)換的內(nèi)存地址（經(jīng)過轉(zhuǎn)換的那叫虛擬地址）。在PC上，對于ISA和PCI而言，總線即為物理地址，但并非每個平臺都是如此。由于有時候接口總線是通過橋接電路被連接，橋接電路會將IO地址映射為不同的物理地址。例如，在PRep（PowerPC Reference Platform）系統(tǒng)中，物理地址0在設備端看起來是0X80000000，而0通常又被映射為虛擬地址0xC0000000,所以同一地址就具備了三重身份：物理地址0,總線地址0x80000000及虛擬地址0xC0000000,還有一些系統(tǒng)提供了頁面映射機制，它能將任意的頁面映射為連續(xù)的外設總線地址。內(nèi)核提供了如下函數(shù)用于進行簡單的虛擬地址/總線地址轉(zhuǎn)換：

unsigned long virt_to_bus（volatile void *address）；

void *bus_to_virt（unsigned long address）；

在使用IOMMU或反彈緩沖區(qū)的情況下，上述函數(shù)一般不會正常工作。而且，這兩個函數(shù)并不建議使用。

需要說明的是設備不一定能在所有的內(nèi)存地址上執(zhí)行DMA操作，在這種情況下應該通過下列函數(shù)執(zhí)行DMA地址掩碼：

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

比如，對于只能在24位地址上執(zhí)行DMA操作的設備而言，就應該調(diào)用dma_set_mask（dev, 0xffffffff）。DMA映射包括兩個方面的工作：分配一片DMA緩沖區(qū)；為這片緩沖區(qū)產(chǎn)生設備可訪問的地址。結(jié)合前面所講的，DMA映射必須考慮Cache一致性問題。內(nèi)核中提供了一下函數(shù)用于分配一個DMA一致性的內(nèi)存區(qū)域：

void *dma_alloc_coherent（struct device *dev, size_t size, dma_addr_t *handle, gfp_t gfp）；

這個函數(shù)的返回值為申請到的DMA緩沖區(qū)的虛擬地址。此外，該函數(shù)還通過參數(shù)handle返回DMA緩沖區(qū)的總線地址。與之對應的釋放函數(shù)為：

void dma_free_coherent（struct device *dev, size_t size, void *cpu_addr, dma_addr_t handle）；

以下函數(shù)用于分配一個寫合并（writecombinbing）的DMA緩沖區(qū)：

void *dma_alloc_writecombine（struct device *dev, size_t size, dma_addr_t *handle, gfp_t gfp）；

與之對應的是釋放函數(shù)：dma_free_writecombine（），它其實就是dma_free_conherent,只不過是用了#define重命名而已。

此外，Linux內(nèi)核還提供了PCI設備申請DMA緩沖區(qū)的函數(shù)pci_alloc_consistent（），原型為：

void *pci_alloc_consistent（struct pci_dev *dev, size_t size, dma_addr_t *dma_addrp）；  對應的釋放函數(shù)為：

void pci_free_consistent（struct pci_dev *pdev, size_t size, void *cpu_addr, dma_addr_t dma_addr）；

相對于一致性DMA映射而言，流式DMA映射的接口較為復雜。對于單個已經(jīng)分配的緩沖區(qū)而言，使用dma_map_single（）可實現(xiàn)流式DMA映射：

dma_addr_t dma_map_single（struct device *dev, void *buffer, size_t size, enum dma_data_direction direction）；  如果映射成功，返回的是總線地址，否則返回NULL.最后一個參數(shù)DMA的方向，可能取DMA_TO_DEVICE, DMA_FORM_DEVICE, DMA_BIDIRECTIONAL和DMA_NONE;

與之對應的反函數(shù)是：

void dma_unmap_single（struct device *dev,dma_addr_t *dma_addrp,size_t size,enum dma_data_direction direction）；

通常情況下，設備驅(qū)動不應該訪問unmap（）的流式DMA緩沖區(qū)，如果你說我就愿意這么做，我又說寫什么呢，選擇了權利，就選擇了責任，對吧。這時可先使用如下函數(shù)獲得DMA緩沖區(qū)的擁有權：

void dma_sync_single_for_cpu（struct device *dev,dma_handle_t bus_addr, size_t size, enum dma_data_direction direction）；

在驅(qū)動訪問完DMA緩沖區(qū)后，應該將其所有權還給設備，通過下面的函數(shù)：[!--empirenews.page--]

void dma_sync_single_for_device（struct device *dev,dma_handle_t bus_addr, size_t size, enum dma_data_direction direction）；如果設備要求較大的DMA緩沖區(qū)，在其支持SG模式的情況下，申請多個不連續(xù)的，相對較小的DMA緩沖區(qū)通常是防止申請?zhí)蟮倪B續(xù)物理空間的方法，在Linux內(nèi)核中，使用如下函數(shù)映射SG:

int dma_map_sg（struct device *dev,struct scatterlist *sg, int nents,enum dma_data_direction direction）； 其中nents是散列表入口的數(shù)量，該函數(shù)的返回值是DMA緩沖區(qū)的數(shù)量，可能小于nents。對于scatterlist中的每個項目，dma_map_sg（）為設備產(chǎn)生恰當?shù)目偩€地址，它會合并物理上臨近的內(nèi)存區(qū)域。下面在給出scatterlist結(jié)構：

struct scatterlist

{

struct page *page;

unsigned int offset;   //偏移量

dma_addr_t dma_address;   //總線地址

unsigned int length;   //緩沖區(qū)長度

}

執(zhí)行dma_map_sg（）后，通過sg_dma_address（）后可返回scatterlist對應緩沖區(qū)的總線結(jié)構，sg_dma_len（）可返回scatterlist對應的緩沖區(qū)的長度，這兩個函數(shù)的原型是：

dma_addr_t sg_dma_address（struct scatterlist *sg）；   unsigned int sg_dma_len（struct scatterlist *sg）；

在DMA傳輸結(jié)束后，可通過dma_map_sg（）的反函數(shù)dma_unmap_sg（）去除DMA映射：

void dma_map_sg（struct device *dev, struct scatterlist *sg, int nents, enum dma_data_direction direction）；   SG映射屬于流式DMA映射，與單一緩沖區(qū)情況下流式DMA映射類似，如果設備驅(qū)動一定要訪問映射情況下的SG緩沖區(qū)，應該先調(diào)用如下函數(shù)：

int dma_sync_sg_for_cpu（struct device *dev,struct scatterlist *sg, int nents,enum dma_data_direction direction）；

訪問完后，通過下列函數(shù)將所有權返回給設備：

int dma_map_device（struct device *dev,struct scatterlist *sg, int nents,enum dma_data_direction direction）；

Linux 系統(tǒng)中可以有一個相對簡單的方法預先分配緩沖區(qū)，那就是同步"mem="參數(shù)預留內(nèi)存。例如，對于內(nèi)存為64MB的系統(tǒng)，通過給其傳遞mem=62MB命令行參數(shù)可以使得頂部的2MB內(nèi)存被預留出來作為IO內(nèi)存使用，這2MB內(nèi)存可以被靜態(tài)映射，也可以執(zhí)行ioremap（）。

相應的函數(shù)都介紹完了：說真的，好費勁啊，我都想放棄了，可為了小王，我繼續(xù)哈在linux設備驅(qū)動中如何操作呢：

像使用中斷一樣，在使用DMA之前，設備驅(qū)動程序需要首先向系統(tǒng)申請DMA通道，申請DMA通道的函數(shù)如下：

int request_dma（unsigned int dmanr, const char * device_id）；  同樣的，設備結(jié)構體指針可作為傳入device_id的最佳參數(shù)。

使用完DMA通道后，應該使用如下函數(shù)釋放該通道：void free_dma（unsinged int dmanr）；