Linux内核DMA机制

### Linux内核DMA机制详解 #### DMA控制器硬件结构与作用 **DMA（Direct Memory Access）**，即直接存储器访问，是一种硬件技术，允许外围设备（如硬盘、网络接口卡等）与主内存之间直接进行数据传输，而无需CPU干预。这种机制极大地提高了数据传输效率，减少了CPU的负担，使得系统能够同时处理更多的任务。 DMA的实现依赖于具体的系统硬件，不同的体系结构下，DMA传输方式和编程接口可能大相径庭。在Linux内核中，DMA的实现充分考虑到了不同架构的兼容性，提供了一套通用的框架来支持DMA操作。 #### 数据传输方式 DMA数据传输有两种主要触发方式： 1. **软件请求传输**：当进程通过诸如`read()`或`write()`等系统调用请求数据时，驱动程序会分配一个DMA缓冲区，并指示硬件启动数据传输。在此期间，进程会被挂起，等待数据传输完成。一旦硬件完成数据传输并发出中断，中断处理程序会唤醒进程，使其能够继续执行。 2. **硬件异步传输**：在这种模式下，数据传输是由外围设备发起的，通常是数据采集设备。当新数据到达时，硬件会发出中断通知内核。中断处理程序响应中断，分配DMA缓冲区，让外围设备将数据写入缓冲区。完成数据传输后，外围设备再次发出中断，处理程序则负责处理新数据并唤醒相关的进程。 #### DMA在网卡传输中的应用 网卡通常使用环形缓冲区（DMA环形缓冲区）来管理数据包的接收和发送，这种缓冲区位于处理器共享的内存中。每当接收到一个新的数据包，它就会被放置在环形缓冲区的下一个可用位置，并触发一个中断。随后，驱动程序将数据包传递给内核的其他部分进行处理，同时在环形缓冲区中预留新的空闲缓冲区以准备接收后续的数据包。 #### DMA控制器：以I386的8237DMA控制器为例 在x86架构中，8237DMA控制器是非常典型的DMA设备。它具有两个控制器，总共8个通道，分为字节操作和字操作两种类型： - 控制器1：包含通道0-3，用于字节级别的数据传输，寄存器端口范围为00-1F。 - 控制器2：包含通道4-7，用于字级别的数据传输，寄存器端口范围为C0-DF。 每个通道的DMA传输都有其特定的限制和特性，比如对于通道0-3，传输不能跨越64KB的物理边界；而对于通道5-7，不能跨越128KB的边界。此外，寄存器的地址映射也是根据通道类型的不同而有所差异，确保数据传输的正确性和高效性。 #### DMA地址寄存器的映射规则 对于8237DMA控制器，DMA地址寄存器的映射规则如下： - 通道0-3：物理地址的高8位映射到页面寄存器（P7-P0），低8位映射到地址寄存器的高位和低位（ADDRLSB和ADDRMSB）。 - 通道5-7：物理地址的部分位映射到页面寄存器，剩余位则分别映射到地址寄存器的高位和低位，其中A1-A0未使用，代表128K页。 #### DMA控制寄存器 控制寄存器（DCSRX）包含了多个状态位，用于控制和监控DMA通道的操作。例如，第31位控制DMA通道的开启与关闭，第30位选择描述符模式或非描述符模式，第29位用于检测中断状态等。 #### DMA缓冲区管理 DMA缓冲区的管理是DMA操作的关键，尤其是在处理大于一页的数据时，需要在物理内存中保留连续的页。为了满足这一需求，Linux内核在引导时会预先保留一部分物理RAM作为DMA缓冲区，可以通过传递"MEM="参数来控制这部分内存的大小。 #### 分配DMA空间 在Linux内核中，分配DMA空间通常通过调用`kmalloc()`函数实现，但是考虑到DMA对连续内存的要求，内核还提供了专门的DMA内存管理机制，如`dma_alloc_coherent()`和`dma_free_coherent()`，用于更精细地控制DMA缓冲区的分配和释放。 Linux内核中的DMA机制是一个复杂而强大的功能，它不仅优化了数据传输效率，还提供了灵活的配置选项，以适应各种硬件架构和应用场景的需求。