DMA:让硬件自己搬数据,解放 CPU

🔨 整理中 · 这一篇讲 DMA(直接内存访问) 子系统——让外设和内存之间、或内存和内存之间的数据搬运由 DMA 控制器硬件完成,不占 CPU。素材以 6.19 源码 + kernel.org dmaengine 文档为权威。内核统一用 dmaengine 框架(drivers/dma/ + dma_async_* API)管理 DMA 控制器、给客户端提供统一接口。

做什么

外设和内存之间搬数据,如果不靠 DMA,CPU 得一个字节(或一个字)地循环读写外设 FIFO——海量 CPU 时间耗在"搬运"上。DMA 控制器是一块独立的硬件,能"自己"在外设和内存之间按描述符成块搬数据,CPU 只需给它描述好"搬哪、搬多少、方向",它在后台干完、给 CPU 一个中断。CPU 在这期间能干别的活。所以高吞吐外设(磁盘 DMA、网络、USB、音频、SPI 大块传输)都靠 DMA。内核的 dmaengine 子系统给 DMA 控制器驱动和 DMA 客户端各提供一套统一接口,让"哪个控制器/哪个客户端"解耦。这一篇拆 dmaengine 的两边:控制器驱动怎么写(dma_device)、客户端怎么用(dmaengine_* API)。

要了解什么

一、DMA 控制器:`dma_device` + `dma_chan`

每个 DMA 控制器内核里对应一个 struct dma_device(include/linux/dmaengine.h:868),它描述"这个 DMA 控制器能干什么、有哪些通道"。核心回调按"传输类型"分:

device_prep_dma_memcpy:内存→内存拷贝(memcpy DMA)
device_prep_slave_sg:外设↔内存的 scatter-gather 传输(slave DMA,如 UART/SPI 收发)
device_prep_dma_cyclic:循环传输(音频 ALSA 用——环形 buffer 周期性搬)
device_issue_pending:把提交的描述符真正发给硬件开始搬
device_terminate_all:终止某通道上所有传输

一个 dma_device 下挂若干 struct dma_chan(:338,DMA 通道,DMA 控制器可并行跑多通道)。控制器驱动 dma_async_device_register(&dmadev) 注册进 dmaengine core。

二、两种 DMA:memcpy vs slave

DMA 传输分两大场景:memcpy DMA(内存→内存,纯搬运,典型用 device_prep_dma_memcpy 提交一段拷贝)和 slave DMA(外设↔内存,需指定"外设侧"是谁、数据宽度/突发长度等,用 device_prep_slave_sg 或 device_prep_dma_cyclic)。slave DMA 的"外设侧"通过 DT 的 dmas/dma-names 属性描述(对应外设的某个 TX/RX FIFO),客户端 dma_request_chan(dev, "rx") 拿到对应通道。

三、客户端用法:申请通道 → 准备描述符 → 提交 → 启动 → 回调

DMA 客户端(如 UART/音频/网卡驱动)的标准流程:

struct dma_chan *chan = dma_request_chan(dev, "rx", &cfg);   /* 从设备树 "dmas" 拿 rx 通道 */
struct dma_async_tx_descriptor *desc;
desc = dmaengine_prep_slave_sg(chan, sg, nents, dir, flags); /* 准备一个 sg 传输描述符 */
desc->callback = my_dma_done;                                /* 完成时调 */
desc->callback_param = ctx;
dmaengine_submit(desc);                                       /* 提交到通道 */
dma_async_issue_pending(chan);                                /* 启动,DMA 开始搬 */
/* ... CPU 干别的;搬完 my_dma_done 被调 ... */
dma_release_channel(chan);                                    /* 用完释放 */

要点:DMA 是异步的——dma_async_issue_pending 立即返回,CPU 不等;搬完硬件中断→控制器驱动→dmaengine core 调你的 callback。回调通常在 tasklet/软中断上下文(不能睡),里面把缓冲"消费掉"(交给上层)、再准备下一个传输。这套异步+回调是 DMA 编程的基本范式。

四、DMA 地址与一致性

DMA 涉及"CPU 看到的虚拟地址"和"DMA 控制器看到的总线地址"两套,要用 dma_map_single/dma_map_sg 把虚拟地址映射成 DMA 地址(并处理 cache 一致性——CPU cache 的脏数据要让内存可见,否则 DMA 看到的是旧值)。一致性 DMA(常用 coherent buffer,dma_alloc_coherent)CPU 和外设都保证看到一致内容、不用手动 sync;流式 DMA(dma_map_single 那类)需 dma_sync_* 显式管理。这些 dma_* API 在 include/linux/dma-mapping.h,是 DMA 编程绕不开的地址/一致性工具。

动手试试

ls /sys/class/dma/(若存在)看 DMA 通道;某些 SoC 有 /sys/kernel/debug/dmaengine/
读 drivers/dma/dmatest.c(内核自带的 DMA 测试模块)看一个完整的 memcpy DMA 客户端流程——它是 dmaengine 的"参考客户端"
读一个简单 SoC DMA 控制器驱动(如 drivers/dma/fsl-edma-main.c 或 drivers/dma/ste_dma40.c)看 dma_device 怎么填
进阶:在 ALSA 音频驱动里看 device_prep_dma_cyclic 的典型用法(环形 buffer 周期搬)
思考题:为什么 DMA 客户端用"异步 + 回调"而非"同步等搬完"?(提示:CPU 利用率)

延伸阅读

源码(本仓库 third_party/linux/,6.19.9):include/linux/dmaengine.h:868 struct dma_device、:338 struct dma_chan、struct dma_async_tx_descriptor;include/linux/dma-mapping.h(dma_map_single/dma_alloc_coherent/dma_sync_*);实现在 drivers/dma/(dmaengine.c core、各 SoC 厂商驱动);参考客户端 drivers/dma/dmatest.c、ALSA 的 sound/core/pcm_dmaengine.c。
kernel.org:DMAEngine documentation、DMA mapping guide、DMA API howto。
关联本站:本篇是 00 driver model 的 DMA 子系统类型;网络/音频/USB 这些高吞吐外设都靠 DMA(见 14 netdev、ALSA);DMA 描述符常和 scatter-gather 链表配合(见 12 内核数据结构)。

做什么 ​

要了解什么 ​

一、DMA 控制器:dma_device + dma_chan ​

二、两种 DMA:memcpy vs slave ​

三、客户端用法:申请通道 → 准备描述符 → 提交 → 启动 → 回调 ​

四、DMA 地址与一致性 ​

动手试试 ​

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