蜕变成蝶~Linux设备驱动之DMA

一口Linux 2021-03-17 00:00

DMA概述

    DMA是一种无需CPU的参加就可以让外设与系统内存之间进行双向数据传输的硬件机制。它可以使系统CPU从实际的I/O数据传输过程中摆脱出来,大大提高系统的吞吐率,并且在传输期间,CPU还可以并发执行其他任务。


DMA与cache的一致性

    cache用作CPU针对内存的缓存,避免CPU每一次都要与相对来说慢点的内存交互数据,从而来提高数据的访问速率,而DMA可以用作内存与外设之间传输数据的方式,数据不需要经过CPU周转。


    “假设设备驱动程序把一些数据填充到内存缓冲区中,然后立刻命令硬件设备利用DMA传送方式读取该数据。如果DMA访问这些物理RAM内存单元,而相应的硬件高速缓存行的内容还没有写入RAM中,那么硬件设备所读取的至就是内存缓冲区中的旧值。”


现在有两种方法来处理DMA缓冲区:

一致性DMA映射:

    书上讲的比较抽象,通俗地说就是任何对DMA缓冲区的改写都会直接更新到内存中,也称之为“同步的”或者“一致的”。


流式DMA映射:

    根据个人的理解,这里的流即输入输出流,我们需要事先指定DMA缓冲区的方向。

    启动一次流式DMA数据传输分为如下步骤(本DMA驱动开发介绍仅适合S3C2410处理器类型):


1.分配DMA缓冲区

    在DMA设备不采用S/G(分散/聚集)模式的情况下,必须保证缓冲区是物理上连续的,linux内核有两个函数用来分配连续的内存:kmalloc()和__get_free_pages()。这两个函数都有分配连续内存的最大值,kmalloc以分配字节为单位,最大约为64KB,__get_free_pages()以分配页为单位,最大能分配2^order数目的页,order参数的最大值由include/linux/Mmzone.h文件中的MAX_ORDER宏决定(在默认的2.6.18内核版本中,该宏定义为10。也就是说在理论上__get_free_pages函数一次最多能申请1<<10 * 4KB也就是4MB的连续物理内存,在Xilinx Zynq Linux内核中,该宏定义为11)。


2. 建立流式映射

    在对DMA冲区进行读写访问之后,且在启动DMA设备传输之前,启用dma_map_single()函数建立流式DMA映射,这两个函数接受缓冲区的线性地址作为其参数并返回相应的总线地址。


3. 释放流式映射

    当DMA传输结束之后我们需要释放该映射,这时调用dma_unmap_single()函数。


注意:

(1). 为了避免高速缓存一致性问题,驱动程序在开始从RAM到设备的DMA数据传输之前,如果有必要,应该调用dma_sync_single_for_device()函数刷新与DMA缓冲区对应的高速缓存行。


(2). 从设备到RAM的一次DMA数据传送完成之前设备驱动程序是不可以访问内存缓冲区的,但如果有必要的话,驱动程序在读缓冲区之前,应该调用dma_sync_single_for_cpu()函数使相应的硬件高速缓存行无效。


(3). 虽然kmalloc底层也是用__get_free_pages实现的,不过kmalloc对应的释放缓冲区函数为kfree,而__get_free_pages对应的释放缓冲区函数为free_pages。具体与__get_free_pages有关系的几个申请与释放函数如下:


申请函数:

alloc_pages(gfp_mask,order)返回第一个所分配页框描述符的地址,或者如果分配失败则返回NULL__get_free_pages(gfp_mask,order)类似于alloc_pages(),但它返回第一个所分配页的线性地址。如果需要获得线性地址对应的页框号,那么需要调用virt_to_page(addr)宏产生线性地址。


释放函数:

__free_pages(page,order)这里主要强调page是要释放缓冲区的线性首地址所在的页框号free_pages(page,order)这个函数类似于__free_pages(page,order),但是它接收的参数为要释放的第一个页框的线性地址addr


DMA驱动主要数据结构:

1DMA单个内核缓冲区数据结构:

typedef struct dma_buf_s {int size; /* buffer size:缓冲大小 */dma_addr_t dma_start; /* starting DMA address :缓冲区起始物理地址*/int ref; /* number of DMA references 缓冲区起始虚拟地址*/void *id; /* to identify buffer from outside 标记 */int write; /* 1: buf to write , 0: buf to read DMA读还是写*/struct dma_buf_s *next; /* next buf to process 指向下一个缓冲区结构*/} dma_buf_t;


2DMA寄存器数据结构:

/* DMA control register structure */typedef struct {volatile u_long DISRC;/源地址寄存器volatile u_long DISRCC;//源控制寄存器volatile u_long DIDST;//目的寄存器volatile u_long DIDSTC;//目的控制寄存器volatile u_long DCON;//DMA控制寄存器volatile u_long DSTAT;//状态寄存器volatile u_long DCSRC;//当前源volatile u_long DCDST;//当前目的volatile u_long DMASKTRIG;//触发掩码寄存器} dma_regs_t;


3DMA设备数据结构

/* DMA device structre */typedef struct {dma_callback_t callback;//DMA操作完成后的回调函数,在中断处理例程中调用u_long dst;//目的寄存器内容u_long src;//源寄存器内容u_long ctl;//此设备的控制寄存器内容u_long dst_ctl;//目的控制寄存器内容u_long src_ctl;//源控制寄存器内容} dma_device_t;


4DMA通道数据结构

/* DMA channel structure */typedef struct {dmach_t channel;//通道号:可为0,1,2,3unsigned int in_use; /* Device is allocated 设备是否已*/const char *device_id; /* Device name 设备名*/dma_buf_t *head; /* where to insert buffers 该DMA通道缓冲区链表头*/dma_buf_t *tail; /* where to remove buffers该DMA通道缓冲区链表尾*/dma_buf_t *curr; /* buffer currently DMA'ed该DMA通道缓冲区链表中的当前缓冲区*/unsigned long queue_count; /* number of buffers in the queue 链表中缓冲区个数*/int active; /* 1 if DMA is actually processing data 该通道是否已经在使用*/dma_regs_t *regs; /* points to appropriate DMA registers 该通道使用的DMA控制寄存器*/int irq; /* IRQ used by the channel //通道申请的中断号*/dma_device_t write; /* to write //执行读操作的DMA设备*/dma_device_t read; /* to read 执行写操作的DMA设备*/} s3c2410_dma_t;


DMA驱动主要函数功能分析:

    写一个DMA驱动的主要工作包括:DMA通道申请、DMA中断申请、控制寄存器设置、挂入DMA等待队列、清除DMA中断、释放DMA通道.

int s3c2410_request_dma(const char *device_id, dmach_t channel,dma_callback_t write_cb, dma_callback_t read_cb) (s3c2410_dma_queue_buffer);

函数描述:申请某通道的DMA资源,填充s3c2410_dma_t 数据结构的内容,申请DMA中断。


输入参数:device_id DMA 设备名;channel 通道号;

write_cb DMA写操作完成的回调函数;

read_cb DMA读操作完成的回调函数


输出参数:若channel通道已使用,出错返回;否则,返回0


int s3c2410_dma_queue_buffer(dmach_t channel, void *buf_id,dma_addr_t data, int size, int write) (s3c2410_dma_stop);

函数描述:这是DMA操作最关键的函数,它完成了一系列动作:分配并初始化一个DMA内核缓冲区控制结构,并将它插入DMA等待队列,设置DMA控制寄存器内容,等待DMA操作触发


输入参数:channel 通道号;buf_id,缓冲区标识

dma_addr_t data DMA数据缓冲区起始物理地址;

size DMA数据缓冲区大小;

write 是写还是读操作


输出参数:操作成功,返回0;否则,返回错误号


int s3c2410_dma_stop(dmach_t channel)

函数描述:停止DMA操作。


int s3c2410_dma_flush_all(dmach_t channel)

函数描述:释放DMA通道所申请的所有内存资源


void s3c2410_free_dma(dmach_t channel)

函数描述:释放DMA通道


    因为各函数功能强大,一个完整的DMA驱动程序中一般只需调用以上3个函数即可。可在驱动初始化中调用s3c2410_request_dma,开始DMA传输前调用s3c2410_dma_queue_buffer,释放驱动模块时调用s3c2410_free_dma。


·················· END ··················

点击关注公众号,回复【1024】免费领学习资料


推荐阅读
所有原创
Linux驱动
粉丝问答
C语言
从0学ARM
计算机网络


一口Linux 写点代码,写点人生!
评论
  • ~同等额定功率产品尺寸小一号,并保证长期稳定供应~全球知名半导体制造商ROHM(总部位于日本京都市)在其通用贴片电阻器“MCR系列”产品阵容中又新增了助力应用产品实现小型化和更高性能的“MCRx系列”。新产品包括大功率型“MCRS系列”和低阻值大功率型“MCRL系列”两个系列。在电子设备日益多功能化和电动化的当今世界,电子元器件的小型化和性能提升已成为重要课题。尤其是在汽车市场,随着电动汽车(xEV)的普及,电子元器件的使用量迅速增加。另外,在工业设备市场,随着设备的功能越来越多,效率越来越高,
    电子资讯报 2024-12-05 17:03 85浏览
  • DIP开关(双列直插式封装开关)是一种常见的机电设备,广泛应用于各种电子设计中。其多样的形式、配置、尺寸和开关机制使得设计师可以灵活地满足不同的需求。什么是DIP开关?DIP开关由多个开关单元组成,通常并排排列(图1)。这些开关需要手动操作以设置其功能。它们主要安装在PCB上,用于配置设备的操作模式。DIP开关以其可靠性、灵活性和经济性成为原始设备制造商(OEM)和最终客户的首选之一。图1.常见的DIP开关配置极点与掷数:DIP开关的基本规格极点(Pole): 指开关的输入数量。掷数(
    大鱼芯城 2024-12-06 10:36 57浏览
  • 在Python中,线程的启动和管理是一个复杂而关键的过程。通过上述代码截图,我们可以深入了解Python中线程启动和处理的具体实现。以下是对图1中内容的详细解析: 4.3.3、启动线程 当调用`rt_thread_startup`函数时,该函数负责将指定线程的状态更改为就绪状态,并将其放入相应优先级的队列中等待调度。这一步骤确保了线程能够被操作系统识别并准备执行。如果新启动的线程的优先级高于当前正在运行的线程,系统将立即切换到这个高优先级线程,以保证重要任务的及时执行。 //```c /*
    丙丁先生 2024-12-06 12:30 48浏览
  • RK3506单板机(卡片电脑)是一款高性能三核Cortex-A7处理器,内部集成Cortex-M0核心,RK3506单板机具有接口丰富、实时性高、显示开发简单、低功耗及多系统支持等特点,非常适合于工业控制、工业通信、人机交互等应用场景。 多核异构3xCortex-A7+Cortex-M0 外设接口丰富,板载网络、串口、CAN总线 支持Buildroot、Yocto系统,支持AMP混合部署 支持2D硬件加速,适用于轻量级HMI目前RK3506主要分为3种型号
    万象奥科 2024-12-05 16:59 86浏览
  • 自20世纪60年代问世以来,光耦合器彻底改变了电子系统实现电气隔离和信号传输的方式。通过使用光作为传输信号的媒介,光耦合器消除了直接电气连接的需求,确保了安全性和可靠性。本文记录了光耦合器技术的发展,重点介绍了关键创新、挑战以及这一不可或缺组件的未来发展。 过去:起源和早期应用光耦合器的发明源于处理高压或嘈杂环境的系统对安全电气隔离的需求。早期的光耦合器由LED和光电晶体管的简单组合组成,可提供可靠的隔离,但具有明显的局限性:低速:早期的光耦合器速度慢,频率响应有限,不适合高速数字通信
    腾恩科技-彭工 2024-12-06 16:28 65浏览
  • 随着各行各业对可靠、高效电子元件的需求不断增长,国产光耦合器正成为全球半导体市场的重要参与者。这些元件利用先进的制造工艺和研究驱动的创新,弥补了高性能和可负担性之间的差距。本文探讨了国产光耦合器日益突出的地位,重点介绍了其应用和技术进步。 关键技术进步国产光耦合器制造商在提高性能和多功能性方面取得了重大进展。高速光耦合器现在能够处理快速数据传输,使其成为电信和工业自动化中不可或缺的一部分。专为电力电子设计的栅极驱动器光耦合器可确保电动汽车和可再生能源逆变器等高压系统的精确控制。采用碳化
    克里雅半导体科技 2024-12-06 16:34 67浏览
  • 光耦合器对于确保不同电路部分之间的电气隔离和信号传输至关重要。通过防止高压干扰敏感元件,它们可以提高安全性和可靠性。本指南将指导您使用光耦合器创建一个简单的电路,介绍其操作的基本原理和实际实施。光耦合器的工作原理光耦合器包含一个LED和一个光电晶体管。当LED接收到信号时,它会发光,激活光电晶体管,在保持隔离的同时传输信号。这使其成为保护低功耗控制电路免受高压波动影响的理想选择。组件和电路设置对于这个项目,我们将使用晶体管输出光耦合器(例如KLV2002)。收集以下组件:光耦合器、1kΩ电阻(输
    克里雅半导体科技 2024-12-06 16:34 76浏览
  • 在阅读了《高速PCB设计经验规则应用实践》后,对于PCB设计的布局经验有了更为深入和系统的理解。该书不仅详细阐述了高速PCB设计中的经验法则,还通过实际案例和理论分析,让读者能够更好地掌握这些法则并将其应用于实际工作中。布局是走线的基础,预先的规划再到叠层的选择,电源和地的分配,信号网络的走线等等,对布局方面也是非常的关注。布局规划的重要性: 在PCB设计中,布局规划是至关重要的一步。它直接影响到后续布线的难易程度、信号完整性以及电磁兼容性等方面。因此,在进行元件布局之前,我们必须对PCB的平
    戈壁滩上绽放 2024-12-05 19:43 103浏览
  • 光耦合器以其提供电气隔离的能力而闻名,广泛应用于从电源到通信系统的各种应用。尽管光耦合器非常普遍,但人们对其特性和用途存在一些常见的误解。本文将揭穿一些最常见的误解,以帮助工程师和爱好者做出更明智的决策。 误解1:光耦合器的使用寿命较短事实:虽然光耦合器内部的LED会随着时间的推移而退化,但LED材料和制造工艺的进步已显著提高了其使用寿命。现代光耦合器的设计使用寿命为正常工作条件下的数十年。适当的热管理和在推荐的电流水平内工作可以进一步延长其使用寿命。误解2:光耦合器对于现代应用来说太
    腾恩科技-彭工 2024-12-06 16:29 73浏览
  • 学习如何在 MYIR 的 ZU3EG FPGA 开发板上部署 Tiny YOLO v4,对比 FPGA、GPU、CPU 的性能,助力 AIoT 边缘计算应用。(文末有彩蛋)一、 为什么选择 FPGA:应对 7nm 制程与 AI 限制在全球半导体制程限制和高端 GPU 受限的大环境下,FPGA 成为了中国企业发展的重要路径之一。它可支持灵活的 AIoT 应用,其灵活性与可编程性使其可以在国内成熟的 28nm 工艺甚至更低节点的制程下实现高效的硬件加速。米尔的 ZU3EG 开发板凭借其可重
    米尔电子嵌入式 2024-12-06 15:53 55浏览
我要评论
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦