Linux核心開發之記憶體與I/O訪問(六)

“小王，再告訴你一個好訊息，今天是咱們裝置驅動程式核心基礎理論的最後一節課了，戰鬥就已經到了最後一刻了，開心不”我眉飛色舞的對小王說。

“嗯，開心，我掙紮許久了，終於結束了，只是..”小王傷感的說“只是我覺得怎麼能一下就沒了呢， 心裡空蕩蕩的”.

“沒關係的…”看著小王噘著嘴調皮而又可愛的樣子，我也心軟了”核心的理論是講完了，但你不是沒動過手嗎，還有很多路要走呢..我還舍…”我一把蒙住自己的嘴.

  嘿嘿，心裡咋想咋們都明白，是不…別傷感了，繼續咱們上節的東西：

  上節我們說到了dma_mem_alloc()函數，需要說明的是DMA的硬體使用匯流排地址而非物理地址，匯流排地址是從裝置角度上看到的記憶體位址，物理地址是從CPU角度上看到的未經轉換的記憶體位址(經過轉換的那叫虛擬位址)。在PC上，對於ISA和PCI而言，匯流排即為物理地址，但並非每個平台都是如此。由於有時候介面匯流排是通過橋接電路被串連，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)系統中，物理地址0在裝置端看起來是0X80000000，而0通常又被映射為虛擬位址0xC0000000,所以同一地址就具備了三重身份：物理地址0,匯流排地址0x80000000及虛擬位址0xC0000000,還有一些系統提供了頁面映射機制，它能將任意的頁面映射為連續的外設匯流排地址。核心提供了如下函數用於進行簡單的虛擬位址/匯流排地址轉換：

unsigned long virt_to_bus(volatile void *address);void *bus_to_virt(unsigned long address);

在使用IOMMU或反彈緩衝區的情況下，上述函數一般不會正常工作。而且，這兩個函數並不建議使用。

需要說明的是裝置不一定能在所有的記憶體位址上執行DMA操作，在這種情況下應該通過下列函數執行DMA位址遮罩：

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

比如，對於只能在24位地址上執行DMA操作的裝置而言，就應該調用dma_set_mask(dev, 0xffffffff).DMA映射包括兩個方面的工作：分配一片DMA緩衝區；為這片緩衝區產生裝置可訪問的地址。結合前面所講的，DMA映射必須考慮Cache一致性問題。核心中提供了一下函數用於分配一個DMA一致性的記憶體地區：

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

這個函數的傳回值為申請到的DMA緩衝區的虛擬位址。此外，該函數還通過參數handle返回DMA緩衝區的匯流排地址。與之對應的釋放函數為：

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

以下函數用於分配一個寫合并(writecombinbing)的DMA緩衝區：

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：dma_free_writecombine(),它其實就是dma_free_conherent,只不過是用了#define重新命名而已。

此外，Linux核心還提供了PCI裝置申請DMA緩衝區的函數pci_alloc_consistent(),原型為：

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

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

相對於一致性DMA映射而言，流式DMA映射的介面較為複雜。對於單個已經分配的緩衝區而言，使用dma_map_single()可實現流式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，返回的是匯流排地址，否則返回NULL.最後一個參數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，裝置驅動不應該訪問unmap()的流式DMA緩衝區，如果你說我就願意這麼做,我又說寫什麼呢，選擇了權利，就選擇了責任，對吧。這時可先使用如下函數獲得DMA緩衝區的擁有權：

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

在驅動訪問完DMA緩衝區後，應該將其所有權還給裝置，通過下面的函數:

void dma_sync_single_for_device(struct device *dev,dma_handle_t bus_addr, size_t size, enum dma_data_direction direction);如果裝置要求較大的DMA緩衝區，在其支援SG模式的情況下，申請多個不連續的，相對較小的DMA緩衝區通常是防止申請太大的連續物理空間的方法，在Linux核心中，使用如下函數映射SG:

int dma_map_sg(struct device *dev,struct scatterlist *sg, int nents,enum dma_data_direction direction); 其中nents是散列表入口的數量，該函數的傳回值是DMA緩衝區的數量，可能小於nents。對於scatterlist中的每個項目，dma_map_sg()為裝置產生恰當的匯流排地址，它會合并物理上臨近的記憶體地區。下面在給出scatterlist結構：

struct scatterlist{   struct page *page;       unsigned int offset;   //位移量   dma_addr_t dma_address;   //匯流排地址      unsigned int length;   //緩衝區長度}

執行dma_map_sg()後，通過sg_dma_address()後可返回scatterlist對應緩衝區的匯流排結構，sg_dma_len()可返回scatterlist對應的緩衝區的長度，這兩個函數的原型是：

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

在DMA傳輸結束後，可通過dma_map_sg(）的反函數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映射屬於流式DMA映射，與單一緩衝區情況下流式DMA映射類似，如果裝置驅動一定要訪問映射情況下的SG緩衝區，應該先調用如下函數：int dma_sync_sg_for_cpu(struct device *dev,struct scatterlist *sg, int nents,enum dma_data_direction direction); 訪問完後，通過下列函數將所有權返回給裝置：int dma_map_device(struct device *dev,struct scatterlist *sg, int nents,enum dma_data_direction direction);
Linux系統中可以有一個相對簡單的方法預先分配緩衝區，那就是同步“mem=”參數預留記憶體。例如，對於記憶體為64MB的系統，通過給其傳遞mem=62MB命令列參數可以使得頂部的2MB記憶體被預留出來作為IO記憶體使用量，這2MB記憶體可以被靜態映射，也可以執行ioremap().相應的函數都介紹完了:說真的，好費勁啊，我都想放棄了，可為了小王，我繼續哈..在linux裝置驅動中如何操作呢：像使用中斷一樣，在使用DMA之前，裝置驅動程式需要首先向系統申請DMA通道，申請DMA通道的函數如下：int request_dma(unsigned int dmanr, const char * device_id);  同樣的，裝置結構體指標可作為傳入device_id的最佳參數。使用完DMA通道後，應該使用如下函數釋放該通道：void free_dma(unsinged int dmanr);

作為本篇的最後，也作為Linux裝置驅動核心理論的結束篇，小王，我給你總結一下在Linux裝置驅動中DMA相關代碼的流程。如下所示：

“小王，我要講的講完了，我輕鬆了，你可要忙碌了，把這一個月來的知識點都好好串串，為了你，我隨叫隨到..”我說“課餘，我也準備一些後面實際的操作內容，幫你串串”我發現自己越來越喜歡小王了..

"嗯，我會的，放心吧.."那美麗的而迷人的微笑眼神又出現了..