Linux對ISA總線(xiàn)DMA的實(shí)現

DMA是一種無(wú)需CPU的參與就可以讓外設與系統RAM之間進(jìn)行雙向（to device 或 from device）數據傳輸的硬件機制。使用DMA可以使系統CPU從實(shí)際的I/O數據傳輸過(guò)程中擺脫出來(lái)，從而大大提高系統的吞吐率（throughput）。

　　由于DMA是一種硬件機制，因此它通常與硬件體系結構是相關(guān)的，尤其是依賴(lài)于外設的總線(xiàn)技術(shù)。比如：ISA卡的DMA機制就與PCI卡的DMA機制有區別。本站主要討論ISA總線(xiàn)的DMA技術(shù)。

1.DMA概述

　　DMA是外設與主存之間的一種數據傳輸機制。一般來(lái)說(shuō)，外設與主存之間存在兩種數據傳輸方法：（1）Pragrammed I/O（PIO）方法，也即由CPU通過(guò)內存讀寫(xiě)指令或I/O指令來(lái)持續地讀寫(xiě)外設的內存單元（8位、16位或32位），直到整個(gè)數據傳輸過(guò)程完成。（2）DMA，即由DMA控制器（DMA Controller，簡(jiǎn)稱(chēng)DMAC）來(lái)完成整個(gè)數據傳輸過(guò)程。在此期間，CPU可以并發(fā)地執行其他任務(wù)，當DMA結束后，DMAC通過(guò)中斷通知CPU數據傳輸已經(jīng)結束，然后由CPU執行相應的ISR進(jìn)行后處理。

　　DMA技術(shù)產(chǎn)生時(shí)正是ISA總線(xiàn)在PC中流行的時(shí)侯。因此，ISA卡的DMA數據傳輸是通過(guò)ISA總線(xiàn)控制芯片組中的兩個(gè)級聯(lián)8237 DMAC來(lái)實(shí)現的。這種DMA機制也稱(chēng)為“標準DMA”（standard DMA）。標準DMA有時(shí)也稱(chēng)為“第三方DMA”（third-party DMA），這是因為：系統DMAC完成實(shí)際的傳輸過(guò)程，所以它相對于傳輸過(guò)程的“前兩方”（傳輸的發(fā)送者和接收者）來(lái)說(shuō)是“第三方”。

　　標準DMA技術(shù)主要有兩個(gè)缺點(diǎn)：（1）8237 DMAC的數據傳輸速度太慢，不能與更高速的總線(xiàn)（如PCI）配合使用。（2）兩個(gè)8237 DMAC一起只提供了8個(gè)DMA通道，這也成為了限制系統I/O吞吐率提升的瓶頸。

　　鑒于上述兩個(gè)原因，PCI總線(xiàn)體系結構設計一種成為“第一方DMA”（first-party DMA）的DMA機制，也稱(chēng)為“Bus Mastering”（總線(xiàn)主控）。在這種情況下，進(jìn)行傳輸的PCI卡必須取得系統總線(xiàn)的主控權后才能進(jìn)行數據傳輸。實(shí)際的傳輸也不借助慢速的ISA DMAC來(lái)進(jìn)行，而是由內嵌在PCI卡中的DMA電路（比傳統的ISA DMAC要快）來(lái)完成。Bus Mastering方式的DMA可以讓PCI外設得到它們想要的傳輸帶寬，因此它比標準DMA功能滿(mǎn)足現代高性能外設的要求。

　　隨著(zhù)計算機外設技術(shù)的不斷發(fā)展，現代能提供更快傳輸速率的Ultra DMA（UDMA）也已經(jīng)被廣泛使用了。本為隨后的篇幅只討論ISA總線(xiàn)的標準DMA技術(shù)在Linux中的實(shí)現。記?。篒SA卡幾乎不使用Bus Mastering模式的DMA；而PCI卡只使用Bus Mastering模式的DMA，它從不使用標準DMA。

2.Intel 8237 DMAC

　　最初的IBM PC／XT中只有一個(gè)8237 DMAC，它提供了4個(gè)8位的DMA通道（DMA channel 0－3）。從IBM AT開(kāi)始，又增加了一個(gè)8237 DMAC（提供4個(gè)16位的DMA通道，DMA channel 4－7）。兩個(gè)8237 DMAC一起為系統提供8個(gè)DMA通道。與中斷控制器8259的級聯(lián)方式相反，第一個(gè)DMAC被級聯(lián)到第二個(gè)DMAC上，通道4被用于DMAC級聯(lián)，因此它對外設來(lái)說(shuō)是不可用的。第一個(gè)DMAC也稱(chēng)為“slave DAMC”，第二個(gè)DMAC也稱(chēng)為“Master DMAC”。

　　下面我們來(lái)詳細敘述一下Intel 8237這個(gè)DMAC的結構。

　　每個(gè)8237 DMAC都提供4個(gè)DMA通道，每個(gè)DMA通道都有各自的寄存器，而8237本身也有一組控制寄存器，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中的每個(gè)DMA通道都有5個(gè)寄存器，分別是：當前地址寄存器、當前計數寄存器、地址寄存器（也稱(chēng)為偏移寄存器）、計數寄存器和頁(yè)寄存器。其中，前兩個(gè)是8237的內部寄存器，對外部是不可見(jiàn)的。

　?。?）當前地址寄存器（Current Address Register）：每個(gè)DMA通道都有一個(gè)16位的當前地址寄存器，表示一個(gè)DMA傳輸事務(wù)（Transfer Transaction）期間當前DMA傳輸操作的DMA物理內存地址。在每個(gè)DMA傳輸開(kāi)始前，8237都會(huì )自動(dòng)地用該通道的Address Register中的值來(lái)初始化這個(gè)寄存器；在傳輸事務(wù)期間的每次DMA傳輸操作之后該寄存器的值都會(huì )被自動(dòng)地增加或減小。

　?。?）當前計數寄存器（Current Count Register）：每個(gè)每個(gè)DMA通道都有一個(gè)16位的當前計數寄存器，表示當前DMA傳輸事務(wù)還剩下多少未傳輸的數據。在每個(gè)DMA傳輸事務(wù)開(kāi)始之前，8237都會(huì )自動(dòng)地用該通道的Count Register中的值來(lái)初始化這個(gè)寄存器。在傳輸事務(wù)期間的每次DMA傳輸操作之后該寄存器的值都會(huì )被自動(dòng)地增加或減?。ú介L(cháng)為1）。

　?。?）地址寄存器（Address Register）或偏移寄存器（Offset Register）：每個(gè)DMA通道都有一個(gè)16位的地址寄存器，表示系統RAM中的DMA緩沖區的起始位置在頁(yè)內的偏移。

　?。?）計數寄存器（Count Register）：每個(gè)DMA通道都有一個(gè)16位的計數寄存器，表示DMA緩沖區的大小。

　?。?）頁(yè)寄存器（Page Register）：該寄存器定義了DMA緩沖區的起始位置所在物理頁(yè)的基地址，即頁(yè)號。頁(yè)寄存器有點(diǎn)類(lèi)似于PC中的段基址寄存器。

　　2．2 8237 DAMC的控制寄存器

　?。?）命令寄存器（Command Register）

　　這個(gè)8位的寄存器用來(lái)控制8237芯片的操作。其各位的定義如下圖所示：

　?。?）模式寄存器（Mode Register）

　　用于控制各DMA通道的傳輸模式，如下所示：

　?。?）請求寄存器（Request Register）

　　用于向各DMA通道發(fā)出DMA請求。各位的定義如下：

　?。?）屏蔽寄存器（Mask Register）

　　用來(lái)屏蔽某個(gè)DMA通道。當一個(gè)DMA通道被屏蔽后，它就不能在服務(wù)于DMA請求，直到通道的屏蔽碼被清除。各位的定義如下：

　　上述屏蔽寄存器也稱(chēng)為“單通道屏蔽寄存器”（Single Channel Mask Register），因為它一次只能屏蔽一個(gè)通道。此外含有一個(gè)屏蔽寄存器，可以實(shí)現一次屏蔽所有4個(gè)DMA通道，如下：

　?。?）狀態(tài)寄存器（Status Register）

　　一個(gè)只讀的8位寄存器，表示各DMA通道的當前狀態(tài)。比如：DMA通道是否正服務(wù)于一個(gè)DMA請求，或者某個(gè)DMA通道上的DMA傳輸事務(wù)已經(jīng)完成。各位的定義如下：

　　2．3 8237 DMAC的I/O端口地址

　　主、從8237 DMAC的各個(gè)寄存器都是編址在I/O端口空間的。而且其中有些I/O端口地址對于I/O讀、寫(xiě)操作有不同的表示含義。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端口空間中的地址如下：


DMA channel Page Register’sI/O port address
0 0x087
1 0x083
2 0x081
3 0x082
4 0x08f
5 0x08b
6 0x089
7 0x08a



　　注意兩點(diǎn)：

　　1. 各DMA通道的Address Register是一個(gè)16位的寄存器，但其對應的I/O端口是8位寬，因此對這個(gè)寄存器的讀寫(xiě)就需要兩次連續的I/O端口讀寫(xiě)操作，低8位首先被發(fā)送，然后緊接著(zhù)發(fā)送高8位。

　　2. 各DMA通道的Count Register：這也是一個(gè)16位寬的寄存器（無(wú)論對于8位DMA還是16位DMA），但相對應的I/O端口也是8位寬，因此讀寫(xiě)這個(gè)寄存器同樣需要兩次連續的I/O端口讀寫(xiě)操作，而且同樣是先發(fā)送低8位，再發(fā)送高8位。往這個(gè)寄存器中寫(xiě)入的值應該是實(shí)際要傳輸的數據長(cháng)度減1后的值。在DMA傳輸事務(wù)期間，這個(gè)寄存器中的值在每次DMA傳輸操作后都會(huì )被減1，因此讀取這個(gè)寄存器所得到的值將是當前DMA事務(wù)所剩余的未傳輸數據長(cháng)度減1后的值。當DMA傳輸事務(wù)結束時(shí)，該寄存器中的值應該被置為0。

　　2．4 DMA通道的典型使用

　　在一個(gè)典型的PC機中，某些DMA通道通常被固定地用于一些PC機中的標準外設，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 Free
6 16-bit Free
7 16-bit Free



　　2．5 啟動(dòng)一個(gè)DMA傳輸事務(wù)的步驟

　　要啟動(dòng)一個(gè)DMA傳輸事務(wù)必須對8237進(jìn)行編程，其典型步驟如下：

　　1.通過(guò)CLI指令關(guān)閉中斷。
　　2.Disable那個(gè)將被用于此次DMA傳輸事務(wù)的DMA通道。
　　3.向Flip-Flop寄存器中寫(xiě)入0值，以重置它。
　　4.設置Mode Register。
　　5.設置Page Register。
　　6.設置Address Register。
　　7.設置Count Register。
　　8.Enable那個(gè)將被用于此次DMA傳輸事務(wù)的DMA通道。
　　9.用STI指令開(kāi)中斷。

3 Linux對讀寫(xiě)操作8237 DMAC的實(shí)現

　　由于DMAC的各寄存器是在I/O端口空間中編址的，因此讀寫(xiě)8237 DMAC是平臺相關(guān)的。對于x86平臺來(lái)說(shuō)，Linux在include／asm-i386／Dma.h頭文件中實(shí)現了對兩個(gè)8237 DMAC的讀寫(xiě)操作。

　　3．1 端口地址和寄存器值的宏定義

　　Linux用宏MAX_DMA_CHANNELS來(lái)表示系統當前的DMA通道個(gè)數，如下：


　　#define MAX_DMA_CHANNELS 8



　　然后，用宏IO_DMA1_BASE和IO_DMA2_BASE來(lái)分別表示兩個(gè)DMAC在I/O端口空間的端口基地址：


　　#define IO_DMA1_BASE 0x00
　　　　/* 8 bit slave DMA, channels 0..3 */
　　#define IO_DMA2_BASE 0xC0
　　　　/* 16 bit master DMA, ch 4(=slave input)..7 */



　　接下來(lái)，Linux定義了DMAC各控制寄存器的端口地址。其中，slave SMAC的各控制寄存器的端口地址定義如下：


#define DMA1_CMD_REG 0x08 /* command register (w) */
#define DMA1_STAT_REG 0x08 /* status register (r) */
#define DMA1_REQ_REG 0x09 /* request register (w) */
#define DMA1_MASK_REG 0x0A /* single-channel mask (w) */
#define DMA1_MODE_REG 0x0B /* mode register (w) */
#define DMA1_CLEAR_FF_REG 0x0C /* clear pointer flip-flop (w) */
#define DMA1_TEMP_REG 0x0D /* Temporary Register (r) */
#define DMA1_RESET_REG 0x0D /* Master Clear (w) */
#define DMA1_CLR_MASK_REG 0x0E /* Clear Mask */
#define DMA1_MASK_ALL_REG 0x0F /* all-channels mask (w) */



　　Master DMAC的各控制寄存器的端口地址定義如下：


#define DMA2_CMD_REG 0xD0 /* command register (w) */
#define DMA2_STAT_REG 0xD0 /* status register (r) */
#define DMA2_REQ_REG 0xD2 /* request register (w) */
#define DMA2_MASK_REG 0xD4 /* single-channel mask (w) */
#define DMA2_MODE_REG 0xD6 /* mode register (w) */
#define DMA2_CLEAR_FF_REG 0xD8 /* clear pointer flip-flop (w) */
#define DMA2_TEMP_REG 0xDA /* Temporary Register (r) */
#define DMA2_RESET_REG 0xDA /* Master Clear (w) */
#define DMA2_CLR_MASK_REG 0xDC /* Clear Mask */
#define DMA2_MASK_ALL_REG 0xDE /* all-channels mask (w) */



　　8個(gè)DMA通道的Address Register的端口地址定義如下：


#define DMA_ADDR_0 0x00 /* DMA address registers */
#define DMA_ADDR_1 0x02
#define DMA_ADDR_2 0x04
#define DMA_ADDR_3 0x06
#define DMA_ADDR_4 0xC0
#define DMA_ADDR_5 0xC4
#define DMA_ADDR_6 0xC8
#define DMA_ADDR_7 0xCC



　　8個(gè)DMA通道的Count Register的端口地址定義如下：


#define DMA_CNT_0 0x01 /* DMA count registers */
#define DMA_CNT_1 0x03
#define DMA_CNT_2 0x05
#define DMA_CNT_3 0x07
#define DMA_CNT_4 0xC2
#define DMA_CNT_5 0xC6
#define DMA_CNT_6 0xCA
#define DMA_CNT_7 0xCE



　　8個(gè)DMA通道的Page Register的端口地址定義如下：


#define DMA_PAGE_0 0x87 /* DMA page registers */
#define DMA_PAGE_1 0x83
#define DMA_PAGE_2 0x81
#define DMA_PAGE_3 0x82
#define DMA_PAGE_5 0x8B
#define DMA_PAGE_6 0x89
#define DMA_PAGE_7 0x8A



　　Mode Register的幾個(gè)常用值的定義如下：


　　#define DMA_MODE_READ 0x44
　　/* I/O to memory, no autoinit, increment, single mode */
　　#define DMA_MODE_WRITE 0x48
　　/* memory to I/O, no autoinit, increment, single mode */
　　#define DMA_MODE_CASCADE 0xC0
　　 /* pass thru DREQ->HRQ, DACK-HLDA only */
　　#define DMA_AUTOINIT 0x10



　　3．2 讀寫(xiě)DMAC的高層接口函數

　?。?）使能／禁止一個(gè)特定的DMA通道

　　Single Channel Mask Register中的bit［2］為0表示使能一個(gè)DMA通道，為1表示禁止一個(gè)DMA通道；而該寄存器中的bit［1：0］則用于表示使能或禁止哪一個(gè)DMA通道。

　　函數enable_dma()實(shí)現使能某個(gè)特定的DMA通道，傳輸dmanr指定DMA通道號，其取值范圍是0～DMA_MAX_CHANNELS－1。如下：


static __inline__ void enable_dma(unsigned int dmanr)
{
if (dmanr=3)
dma_outb(dmanr, DMA1_MASK_REG);
else
dma_outb(dmanr 3, DMA2_MASK_REG);
}



　　宏dma_outb和dma_inb實(shí)際上就是outb（或outb_p）和inb函數。注意，當dmanr取值大于3時(shí)，對應的是Master DMAC上的DMA通道0～3，因此在寫(xiě)DMA2_MASK_REG之前，要將dmanr與值3進(jìn)行與操作，以得到它在master DMAC上的局部通道編號。

　　函數disable_dma()禁止一個(gè)特定的DMA通道，其源碼如下：


static __inline__ void disable_dma(unsigned int dmanr)
{
if (dmanr=3)
dma_outb(dmanr | 4, DMA1_MASK_REG);
else
dma_outb((dmanr 3) | 4, DMA2_MASK_REG);
}



　　為禁止某個(gè)DMA通道，Single Channel Mask Register中的bit［2］應被置為1。

　?。?）清除Flip-Flop寄存器

　　函數Clear_dma_ff()實(shí)現對slave/Master DMAC的Flip-Flop寄存器進(jìn)行清零操作。如下：


static __inline__ void clear_dma_ff(unsigned int dmanr)
{
if (dmanr=3)
dma_outb(0, DMA1_CLEAR_FF_REG);
else
dma_outb(0, DMA2_CLEAR_FF_REG);
}



　?。?）設置某個(gè)特定DMA通道的工作模式

　　函數set_dma_mode()實(shí)現設置一個(gè)特定DMA通道的工作模式。如下：


static __inline__ void set_dma_mode(unsigned int dmanr, char mode)
{
if (dmanr=3)
dma_outb(mode | dmanr, DMA1_MODE_REG);
else
dma_outb(mode | (dmanr3), DMA2_MODE_REG);
}



　　DMAC 的Mode Register中的bit［1：0］指定對該DMAC上的哪一個(gè)DMA通道進(jìn)行模式設置。

　?。?）為DMA通道設置DMA緩沖區的起始物理地址和大小

　　由于8237中的DMA通道是通過(guò)一個(gè)8位的Page Register和一個(gè)16位的Address Register來(lái)尋址位于系統RAM中的DMA緩沖區，因此8237 DMAC最大只能尋址系統RAM中物理地址在0x000000～0xffffff范圍內的DMA緩沖區，也即只能尋址物理內存的低16MB（24位物理地址）。反過(guò)來(lái)講，Slave／Master 8237 DMAC又是如何尋址低16MB中的物理內存單元的呢？

　　首先來(lái)看Slave 8237 DMAC（即第一個(gè)8237 DMAC）。由于Slave 8237 DMAC是一個(gè)8位的DMAC，因此DMA通道0～3在一次DMA傳輸操作（一個(gè)DMA傳輸事務(wù)又多次DMA傳輸操作組成）中只能傳輸8位數據，即一個(gè)字節。Slave 8237 DMAC將低16MB物理內存分成256個(gè)64K大小的頁(yè)（Page），然后用Page Register來(lái)表示內存單元物理地址的高8位（bit［23：16］），也即頁(yè)號；用Address Register來(lái)表示內存單元物理地址在一個(gè)Page（64KB大?。﹥鹊捻?yè)內偏移量，也即24位物理地址中的低16位（bit［15：0］）。由于這種尋址機制，因此DMA通道0～3的DMA緩沖區必須在一個(gè)Page之內，也即DMA緩沖區不能跨越64KB頁(yè)邊界。

　　再來(lái)看看Master 8237 DMAC（即第二個(gè)8237 DMAC）。這是一個(gè)16位寬的DMAC，因此DMA通道5～7在一次DMA傳輸操作時(shí)可以傳輸16位數據，也即一個(gè)字word。此時(shí)DMA通道的Count Register（16位寬）表示以字計的待傳輸數據塊大小，因此數據塊最大可達128KB（64K個(gè)字），也即系統RAM中的DMA緩沖區最大可達128KB。由于一次可傳輸一個(gè)字，因此Master 8237 DMAC所尋址的內存單元的物理地址肯定是偶數，也即物理地址的bit［0］肯定為0。此時(shí)物理內存的低16MB被化分成128個(gè)128KB大小的page，Page Register中的bit［7：1］用來(lái)表示頁(yè)號，也即對應內存單元物理地址的bit［23：17］，而Page Register的bit［0］總是被設置為0。Address Register用來(lái)表示內存單元在128KB大小的Page中的頁(yè)內偏移，也即對應內存單元物理地址的bit［16：1］（由于此時(shí)物理地址的bit［0］總是為0，因此不需要表示）。由于Master 8237 DMAC的這種尋址機制，因此DMA通道5～7的DMA緩沖區不能跨越128KB的頁(yè)邊界。

　　下面我們來(lái)看看Linux是如何實(shí)現為各DMA通道設置其Page寄存器的。NOTE！DMA通道5～7的Page Register中的bit［0］總是為0。如下所示：


static __inline__ void set_dma_page(unsigned int dmanr, char pagenr)
{
switch(dmanr) {
case 0:
dma_outb(pagenr, DMA_PAGE_0);
break;
case 1:
dma_outb(pagenr, DMA_PAGE_1);
break;
case 2:
dma_outb(pagenr, DMA_PAGE_2);
break;
case 3:
dma_outb(pagenr, DMA_PAGE_3);
break;
case 5:
dma_outb(pagenr 0xfe, DMA_PAGE_5);
break;
case 6:
dma_outb(pagenr 0xfe, DMA_PAGE_6);
break;
case 7:
dma_outb(pagenr 0xfe, DMA_PAGE_7);
break;
}
}



　　在上述函數的基礎上，函數set_dma_addr()用來(lái)為特定DMA通道設置DMA緩沖區的基地址，傳輸dmanr指定DMA通道號，傳輸a指定位于系統RAM中的DMA緩沖區起始位置的物理地址。如下：


/* Set transfer address page bits for specific DMA channel.
* Assumes dma flipflop is clear.
*/
static __inline__ void set_dma_addr(unsigned int dmanr, unsigned int a)
{
set_dma_page(dmanr, a>>16);
if (dmanr = 3) {
dma_outb( a 0xff, ((dmanr3)1) + IO_DMA1_BASE );
dma_outb( (a>>8) 0xff, ((dmanr3)1) + IO_DMA1_BASE );
} else {
dma_outb( (a>>1) 0xff, ((dmanr3)2) + IO_DMA2_BASE );
dma_outb( (a>>9) 0xff, ((dmanr3)2) + IO_DMA2_BASE );
}
}



　　函數set_dma_count()為特定DMA通道設置其Count Register的值。傳輸dmanr指定DMA通道，傳輸count指定待傳輸的數據塊大?。ㄒ宰止澯嫞?，實(shí)際寫(xiě)到Count Register中的值應該是count－1。如下所示：


static __inline__ void set_dma_count(unsigned int dmanr, unsigned int count)
{
count--;
if (dmanr = 3) {
dma_outb( count 0xff, ((dmanr3)1) + 1 + IO_DMA1_BASE );
dma_outb( (count>>8) 0xff, ((dmanr3)1) + 1 + IO_DMA1_BASE );
} else {
dma_outb( (count>>1) 0xff, ((dmanr3)2) + 2 + IO_DMA2_BASE );
dma_outb( (count>>9) 0xff, ((dmanr3)2) + 2 + IO_DMA2_BASE );
}
}



　　函數get_dma_residue()獲取某個(gè)DMA通道上當前DMA傳輸事務(wù)的未傳輸剩余數據塊的大?。ㄒ宰止澯嫞?。DMA通道的Count Register的值在當前DMA傳輸事務(wù)進(jìn)行期間會(huì )不斷地自動(dòng)將減小，直到當前DMA傳輸事務(wù)完成，Count Register的值減小為0。如下：


static __inline__ int get_dma_residue(unsigned int dmanr)
{
unsigned int io_port = (dmanr=3)? ((dmanr3)1) + 1 + IO_DMA1_BASE
: ((dmanr3)2) + 2 + IO_DMA2_BASE;

/* using short to get 16-bit wrap around */
unsigned short count;

count = 1 + dma_inb(io_port);
count += dma_inb(io_port) 8;

return (dmanr=3)? count : (count1);
}



　　3．3 對DMAC的保護

　　DMAC是一種全局的共享資源，為了保證設備驅動(dòng)程序對它的獨占訪(fǎng)問(wèn)，Linux在kernel／dma.c文件中定義了自旋鎖dma_spin_lock來(lái)保護它（實(shí)際上是保護DMAC的I/O端口資源）。任何想要訪(fǎng)問(wèn)DMAC的設備驅動(dòng)程序都首先必須先持有自旋鎖dma_spin_lock。如下：


static __inline__ unsigned long claim_dma_lock(void)
{
unsigned long flags;
spin_lock_irqsave(dma_spin_lock, flags); /* 關(guān)中斷，加鎖*/
return flags;
}

static __inline__ void release_dma_lock(unsigned long flags)
{
spin_unlock_irqrestore(dma_spin_lock, flags);/* 開(kāi)中斷，開(kāi)鎖*/
}



4 Linux對ISA DMA通道資源的管理

　　DMA通道是一種系統全局資源。任何ISA外設想要進(jìn)行DMA傳輸，首先都必須取得某個(gè)DMA通道資源的使用權，并在傳輸結束后釋放所使用DMA通道資源。從這個(gè)角度看，DMA通道資源是一種共享的獨占型資源。

　　Linux在kernel/Dma.c文件中實(shí)現了對DMA通道資源的管理。

　　4．1 對DMA通道資源的描述

　　Linux在kernel/Dma.c文件中定義了數據結構dma_chan來(lái)描述DMA通道資源。該結構類(lèi)型的定義如下：


struct dma_chan {
int lock;
const char *device_id;
};



　　其中，如果成員lock?。?則表示DMA通道正被某個(gè)設備所使用；否則該DMA通道就處于free狀態(tài)。而成員device_id就指向使用該DMA通道的設備名字字符串。

　　基于上述結構類(lèi)型dma_chan，Linux定義了全局數組dma_chan_busy［］，以分別描述8個(gè)DMA通道資源各自的使用狀態(tài)。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 }
};



　　顯然，在初始狀態(tài)時(shí)除了DMA通道4外，其余DMA通道皆處于free狀態(tài)。

　　4．2 DMA通道資源的申請

　　任何ISA卡在使用某個(gè)DMA通道進(jìn)行DMA傳輸之前，其設備驅動(dòng)程序都必須向內核提出DMA通道資源的申請。只有申請獲得成功后才能使用相應的DMA通道。否則就會(huì )發(fā)生資源沖突。

　　函數request_dma（）實(shí)現DMA通道資源的申請。其源碼如下：


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;
}



　　上述函數的核心實(shí)現就是用原子操作xchg()讓成員變量dma_chan_busy[dmanr].lock和值1進(jìn)行交換操作，xchg()將返回lock成員在交換操作之前的值。因此：如果xchg()返回非0值，這說(shuō)明dmanr所指定的DMA通道已被其他設備所占用，所以request_dma()函數返回錯誤值－EBUSY表示指定DMA通道正忙；否則，如果xchg()返回0值，說(shuō)明dmanr所指定的DMA通道正處于free狀態(tài)，于是xchg()將其lock成員設置為1，取得資源的使用權。

　　4．3 釋放DMA通道資源

　　DMA傳輸事務(wù)完成后，設備驅動(dòng)程序一定要記得釋放所占用的DMA通道資源。否則別的外設將一直無(wú)法使用該DMA通道。

　　函數free_dma()釋放指定的DMA通道資源。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 */



　　顯然，上述函數的核心實(shí)現就是用原子操作xchg()將lock成員清零。

　　4．4 對/proc/dma文件的實(shí)現

　　文件／proc/dma將列出當前8個(gè)DMA通道的使用狀況。Linux在kernel/Dma.c文件中實(shí)現了函數個(gè)get_dma_list()函數來(lái)至此/proc/dma文件的實(shí)現。函數get_dma_list()的實(shí)現比較簡(jiǎn)單。主要就是遍歷數組dma_chan_busy[]，并將那些lock成員為非零值的數組元素輸出到列表中即可。如下：


int get_dma_list(char *buf)
{
int i, len = 0;

for (i = 0 ; i MAX_DMA_CHANNELS ; i++) {
if (dma_chan_busy[i].lock) {
len += sprintf(buf+len, %2d: %s
,
i,
dma_chan_busy[i].device_id);
}
}
return len;
} /* get_dma_list */



5 使用DMA的ISA設備驅動(dòng)程序

　　DMA雖然是一種硬件機制，但它離不開(kāi)軟件（尤其是設備驅動(dòng)程序）的配合。任何使用DMA進(jìn)行數據傳輸的ISA設備驅動(dòng)程序都必須遵循一定的框架。

　　5．1 DMA通道資源的申請與釋放

　　同I/O端口資源類(lèi)似，設備驅動(dòng)程序必須在一開(kāi)始就調用request_dma()函數來(lái)向內核申請DMA通道資源的使用權。而且，最好在設備驅動(dòng)程序的open()方法中完成這個(gè)操作，而不是在模塊的初始化例程中調用這個(gè)函數。因為這在一定程度上可以讓多個(gè)設備共享DMA通道資源（只要多個(gè)設備不同時(shí)使用一個(gè)DMA通道）。這種共享有點(diǎn)類(lèi)似于進(jìn)程對CPU的分時(shí)共享：－）

　　設備使用完DMA通道后，其驅動(dòng)程序應該記得調用free_dma()函數來(lái)釋放所占用的DMA通道資源。通常，最好再驅動(dòng)程序的release（）方法中調用該函數，而不是在模塊的卸載例程中進(jìn)行調用。

　　還需要注意的一個(gè)問(wèn)題是：資源的申請順序。為了避免死鎖(deadlock)，驅動(dòng)程序一定要在申請了中斷號資源后才申請DMA通道資源。釋放時(shí)則要先釋放DMA通道，然后再釋放中斷號資源。

　　使用DMA的ISA設備驅動(dòng)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()方法的范例代碼如下：


void xxx_release(struct inode * inode, struct file * filp)
{
┆
free_dma(dmanr);
free_irq(irq,NULL);
┆
}



　　5．2 申請DMA緩沖區

　　由于8237 DMAC只能尋址系統RAM中低16MB物理內存，因此：ISA設備驅動(dòng)程序在申請DMA緩沖區時(shí)，一定要以GFP_DMA標志來(lái)調用kmalloc()函數或get_free_pages()函數，以便在系統內存的DMA區中分配物理內存。

　　5．3 編程DMAC

　　設備驅動(dòng)程序可以在他的read()方法、write()方法或ISR中對DMAC進(jìn)行編程，以便準備啟動(dòng)一個(gè)DMA傳輸事務(wù)。一個(gè)DMA傳輸事務(wù)有兩種典型的過(guò)程：（1）用戶(hù)請求設備進(jìn)行DMA傳輸；（2）硬件異步地將外部數據寫(xiě)道系統中。

　　用戶(hù)通過(guò)I/O請求觸發(fā)設備進(jìn)行DMA傳輸的步驟如下：

　　1.用戶(hù)進(jìn)程通過(guò)系統調用read()／write()來(lái)調用設備驅動(dòng)程序的read()方法或write()方法，然后由設備驅動(dòng)程序read／write方法負責申請DMA緩沖區，對DMAC進(jìn)行編程，以準備啟動(dòng)一個(gè)DMA傳輸事務(wù)，最后正確地設置設備(setup device)，并將用戶(hù)進(jìn)程投入睡眠。

　　2.DMAC負責在DMA緩沖區和I/O外設之間進(jìn)行數據傳輸，并在結束后觸發(fā)一個(gè)中斷。

　　3.設備的ISR檢查DMA傳輸事務(wù)是否成功地結束，并將數據從DMA緩沖區中拷貝到驅動(dòng)程序的其他內核緩沖區中（對于I/O device to memory的情況）。然后喚醒睡眠的用戶(hù)進(jìn)程。

　　硬件異步地將外部數據寫(xiě)到系統中的步驟如下：

　　1.外設觸發(fā)一個(gè)中斷通知系統有新數據到達。

　　2.ISR申請一個(gè)DMA緩沖區，并對DMAC進(jìn)行編程，以準備啟動(dòng)一個(gè)DMA傳輸事務(wù)，最后正確地設置好外設。

　　3.硬件將外部數據寫(xiě)到DMA緩沖區中，DMA傳輸事務(wù)結束后，觸發(fā)一個(gè)中斷。

　　4. ISR檢查DMA傳輸事務(wù)是否成功地結束，然后將DMA緩沖區中的數據拷貝驅動(dòng)程序的其他內核緩沖區中，最后喚醒相關(guān)的等待進(jìn)程。

　　網(wǎng)卡就是上述過(guò)程的一個(gè)典型例子。

　　為準備一個(gè)DMA傳輸事務(wù)而對DMAC進(jìn)行編程的典型代碼段如下：


　　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);



　　檢查一個(gè)DMA傳輸事務(wù)是否成功地結束的代碼段如下：

int residue;
unsigned long flags = claim_dma_lock();
residue = get_dma_residue(dmanr);
release_dma_lock(flags);
ASSERT(residue == 0);