DMA是一種無需CPU的參與就可以讓外設和系統內存之間進行雙向數據傳輸的硬件機制。使用DMA可以使系統CPU從實際的I/O數據傳輸過程中擺脫出來，從而大大提高系統的吞吐率。DMA經常與硬件體系結構特別是外設的總線技術密切相關。

一、DMA控制器硬件結構

DMA允許外圍設備和主內存之間直接傳輸 I/O 數據， DMA 依賴于系統。每一種體系結構DMA傳輸不同，編程接口也不同。

數據傳輸可以以兩種方式觸發：一種軟件請求數據，另一種由硬件異步傳輸。

a --軟件請求數據

調用的步驟可以概括如下（以read為例）：

（1）在進程調用 read 時，驅動程序的方法分配一個 DMA 緩沖區，隨后指示硬件傳送它的數據。進程進入睡眠。（2）硬件將數據寫入 DMA 緩沖區并在完成時產生一個中斷。

（3）中斷處理程序獲得輸入數據，應答中斷，最后喚醒進程，該進程現在可以讀取數據了。

b --由硬件異步傳輸

在 DMA 被異步使用時發生的。以數據采集設備為例：

（1）硬件發出中斷來通知新的數據已經到達。（2）中斷處理程序分配一個DMA緩沖區。（3）外圍設備將數據寫入緩沖區，然后在完成時發出另一個中斷。（4）處理程序利用DMA分發新的數據，喚醒任何相關進程。

網卡傳輸也是如此，網卡有一個循環緩沖區（通常叫做 DMA 環形緩沖區）建立在與處理器共享的內存中。每一個輸入數據包被放置在環形緩沖區中下一個可用緩沖區，并且發出中斷。然后驅動程序將網絡數據包傳給內核的其它部分處理，并在環形緩沖區中放置一個新的 DMA 緩沖區。

驅動程序在初始化時分配DMA緩沖區，并使用它們直到停止運行。

二、DMA通道使用的地址

DMA通道用dma_chan結構數組表示，這個結構在kernel/dma.c中，列出如下：

如果dma_chan_busy[n].lock != 0表示忙，DMA0保留為DRAM更新用，DMA4用作級聯。DMA 緩沖區的主要問題是，當它大于一頁時，它必須占據物理內存中的連續頁。

由于DMA需要連續的內存，因而在引導時分配內存或者為緩沖區保留物理 RAM 的頂部。在引導時給內核傳遞一個"mem="參數可以保留 RAM 的頂部。例如，如果系統有 32MB 內存，參數"mem=31M"阻止內核使用最頂部的一兆字節。稍后，模塊可以使用下面的代碼來訪問這些保留的內存：

dmabuf = ioremap( 0x1F00000 /* 31M */, 0x100000 /* 1M */);

分配 DMA 空間的方法，代碼調用kmalloc（GFP_ATOMIC）直到失敗為止，然后它等待內核釋放若干頁面，接下來再一次進行分配。最終會發現由連續頁面組成的DMA 緩沖區的出現。

一個使用 DMA 的設備驅動程序通常會與連接到接口總線上的硬件通訊，這些硬件使用物理地址，而程序代碼使用虛擬地址。基于 DMA 的硬件使用總線地址而不是物理地址，有時，接口總線是通過將 I/O 地址映射到不同物理地址的橋接電路連接的。甚至某些系統有一個頁面映射方案，能夠使任意頁面在外圍總線上表現為連續的。

當驅動程序需要向一個 I/O 設備（例如擴展板或者DMA控制器）發送地址信息時，必須使用 virt_to_bus 轉換，在接受到來自連接到總線上硬件的地址信息時，必須使用 bus_to_virt 了。

三、DMA操作函數

寫一個DMA驅動的主要工作包括：DMA通道申請、DMA中斷申請、控制寄存器設置、掛入DMA等待隊列、清除DMA中斷、釋放DMA通道

因為 DMA 控制器是一個系統級的資源，所以內核協助處理這一資源。內核使用DMA 注冊表為 DMA 通道提供了請求/釋放機制，并且提供了一組函數在 DMA 控制器中配置通道信息。

以下具體分析關鍵函數（linux/arch/arm/mach-s3c2410/dma.c）

四、DMA映射

一個DMA映射就是分配一個 DMA 緩沖區并為該緩沖區生成一個能夠被設備訪問的地址的組合操作。一般情況下，簡單地調用函數virt_to_bus 就設備總線上的地址，但有些硬件映射寄存器也被設置在總線硬件中。映射寄存器（mapping register）是一個類似于外圍設備的虛擬內存等價物。在使用這些寄存器的系統上，外圍設備有一個相對較小的、專用的地址區段，可以在此區段執行 DMA。通過映射寄存器，這些地址被重映射到系統 RAM。映射寄存器具有一些好的特性，包括使分散的頁面在設備地址空間看起來是連續的。但不是所有的體系結構都有映射寄存器，特別地，PC 平臺沒有映射寄存器。

在某些情況下，為設備設置有用的地址也意味著需要構造一個反彈（bounce）緩沖區。例如，當驅動程序試圖在一個不能被外圍設備訪問的地址（一個高端內存地址）上執行 DMA 時，反彈緩沖區被創建。然后，按照需要，數據被復制到反彈緩沖區，或者從反彈緩沖區復制。

根據 DMA 緩沖區期望保留的時間長短，PCI 代碼區分兩種類型的 DMA 映射：

a -- 一致 DMA 映射

它們存在于驅動程序的生命周期內。一個被一致映射的緩沖區必須同時可被 CPU 和外圍設備訪問，這個緩沖區被處理器寫時，可立即被設備讀取而沒有cache效應，反之亦然，使用函數pci_alloc_consistent建立一致映射。

b -- 流式 DMA映射

流式DMA映射是為單個操作進行的設置。它映射處理器虛擬空間的一塊地址，以致它能被設備訪問。應盡可能使用流式映射，而不是一致映射。這是因為在支持一致映射的系統上，每個 DMA 映射會使用總線上一個或多個映射寄存器。具有較長生命周期的一致映射，會獨占這些寄存器很長時間――即使它們沒有被使用。使用函數dma_map_single建立流式映射。

1、建立一致 DMA 映射

函數pci_alloc_consistent處理緩沖區的分配和映射，函數分析如下（在include/asm-generic/pci-dma-compat.h中）：

結構dma_coherent_mem定義了DMA一致性映射的內存的地址、大小和標識等。結構dma_coherent_mem列出如下（在arch/i386/kernel/pci-dma.c中）：

函數dma_alloc_coherent分配size字節的區域的一致內存，得到的dma_handle是指向分配的區域的地址指針，這個地址作為區域的物理基地址。dma_handle是與總線一樣的位寬的無符號整數。 函數dma_alloc_coherent分析如下（在arch/i386/kernel/pci-dma.c中）：

當不再需要緩沖區時（通常在模塊卸載時），應該調用函數 pci_free_consitent 將它返還給系統。

2、建立流式 DMA 映射

在流式 DMA 映射的操作中，緩沖區傳送方向應匹配于映射時給定的方向值。緩沖區被映射后，它就屬于設備而不再屬于處理器了。在緩沖區調用函數pci_unmap_single撤銷映射之前，驅動程序不應該觸及其內容。

在緩沖區為 DMA 映射時，內核必須確保緩沖區中所有的數據已經被實際寫到內存。可能有些數據還會保留在處理器的高速緩沖存儲器中，因此必須顯式刷新。在刷新之后，由處理器寫入緩沖區的數據對設備來說也許是不可見的。

如果欲映射的緩沖區位于設備不能訪問的內存區段時，某些體系結構僅僅會操作失敗，而其它的體系結構會創建一個反彈緩沖區。反彈緩沖區是被設備訪問的獨立內存區域，反彈緩沖區復制原始緩沖區的內容。

函數pci_map_single映射單個用于傳送的緩沖區，返回值是可以傳遞給設備的總線地址，如果出錯的話就為 NULL。一旦傳送完成，應該使用函數pci_unmap_single 刪除映射。其中，參數direction為傳輸的方向，取值如下：

PCI_DMA_TODEVICE 數據被發送到設備。PCI_DMA_FROMDEVICE如果數據將發送到 CPU。PCI_DMA_BIDIRECTIONAL數據進行兩個方向的移動。PCI_DMA_NONE 這個符號只是為幫助調試而提供。

函數pci_map_single分析如下（在arch/i386/kernel/pci-dma.c中）

函數dma_map_single映射一塊處理器虛擬內存，這塊虛擬內存能被設備訪問，返回內存的物理地址，函數dma_map_single分析如下（在include/asm-i386/dma-mapping.h中）：

3、分散/集中映射

分散/集中映射是流式 DMA 映射的一個特例。它將幾個緩沖區集中到一起進行一次映射，并在一個 DMA 操作中傳送所有數據。這些分散的緩沖區由分散表結構scatterlist來描述，多個分散的緩沖區的分散表結構組成緩沖區的struct scatterlist數組。

分散表結構列出如下（在include/asm-i386/scatterlist.h）：

每一個緩沖區的地址和長度會被存儲在 struct scatterlist 項中，但在不同的體系結構中它們在結構中的位置是不同的。下面的兩個宏定義來解決平臺移植性問題，這些宏定義應該在一個pci_map_sg被調用后使用：

函數pci_map_sg完成分散/集中映射，其返回值是要傳送的 DMA 緩沖區數；它可能會小于 nents（也就是傳入的分散表項的數量），因為可能有的緩沖區地址上是相鄰的。一旦傳輸完成，分散/集中映射通過調用函數pci_unmap_sg 來撤銷映射。 函數pci_map_sg分析如下（在include/asm-generic/pci-dma-compat.h中）：

五、DMA池

許多驅動程序需要又多又小的一致映射內存區域給DMA描述子或I/O緩存buffer，這使用DMA池比用dma_alloc_coherent分配的一頁或多頁內存區域好，DMA池用函數dma_pool_create創建，用函數dma_pool_alloc從DMA池中分配一塊一致內存，用函數dmp_pool_free放內存回到DMA池中，使用函數dma_pool_destory釋放DMA池的資源。

結構dma_pool是DMA池描述結構，列出如下：

函數dma_pool_create給DMA創建一個一致內存塊池，其參數name是DMA池的名字，用于診斷用，參數dev是將做DMA的設備，參數size是DMA池里的塊的大小，參數align是塊的對齊要求，是2的冪，參數allocation返回沒有跨越邊界的塊數（或0）。

函數dma_pool_create返回創建的帶有要求字符串的DMA池，若創建失敗返回null。對被給的DMA池，函數dma_pool_alloc被用來分配內存，這些內存都是一致DMA映射，可被設備訪問，且沒有使用緩存刷新機制，因為對齊原因，分配的塊的實際尺寸比請求的大。如果分配非0的內存，從函數dma_pool_alloc返回的對象將不跨越size邊界（如不跨越4K字節邊界）。這對在個體的DMA傳輸上有地址限制的設備來說是有利的。

函數dma_pool_create分析如下（在drivers/base/dmapool.c中）：

函數dma_pool_alloc從DMA池中分配一塊一致內存，其參數pool是將產生塊的DMA池，參數mem_flags是GFP_*位掩碼，參數handle是指向塊的DMA地址，函數dma_pool_alloc返回當前沒用的塊的內核虛擬地址，并通過handle給出它的DMA地址，如果內存塊不能被分配，返回null。

函數dma_pool_alloc包裹了dma_alloc_coherent頁分配器，這樣小塊更容易被總線的主控制器使用。這可能共享slab分配器的內容。

函數dma_pool_alloc分析如下（在drivers/base/dmapool.c中）：

六、一個簡單的使用DMA 例子

示例：下面是一個簡單的使用DMA進行傳輸的驅動程序，它是一個假想的設備，只列出DMA相關的部分來說明驅動程序中如何使用DMA的。

函數dad_transfer是設置DMA對內存buffer的傳輸操作函數，它使用流式映射將buffer的虛擬地址轉換到物理地址，設置好DMA控制器，然后開始傳輸數據。

函數dad_interrupt是中斷處理函數，當DMA傳輸完時，調用這個中斷函數來取消buffer上的DMA映射，從而讓內核程序可以訪問這個buffer。

函數dad_open打開設備，此時應申請中斷號及DMA通道

在與open 相對應的 close 函數中應該釋放DMA及中斷號。

函數dad_dma_prepare初始化DMA控制器，設置DMA控制器的寄存器的值，為 DMA 傳輸作準備。

函數dad_dma_isdone用來檢查 DMA 傳輸是否成功結束。