Linux内核4.14版本——DMA Engine框架分析(1)_概述
DMA Engine框架
1. 前言
本文是DMA Engine framework分析文章的第一篇，主要介绍DMA controller的概念、术语（从硬件的角度，大部分翻译自kernel的document[1]）。之后，会分别从Provider（DMA controller驱动）和Consumer（其它驱动怎么使用DMA传输数据）两个角度，介绍Linux DMA engine有关的技术细节。
2. DMA Engine硬件介绍
DMA是Direct Memory Access的缩写，顾名思义，就是绕开CPU直接访问memory的意思。在计算机中，相比CPU，memory和外设的速度是非常慢的，因而在memory和memory（或者memory和设备） 处理一些实时事件。因此，工程师们就设计出来一种专门用来搬运数据的器件----DMA控制器，协助CPU进行数据搬运，如下图所示：
思路很简单，因而大多数的DMA controller都有类似的设计原则，归纳如下[1]。
注1：得益于类似的设计原则，Linux kernel才有机会使用一套framework去抽象DMA engine有关的功能。
DMA 的原理就是 CPU 将需要迁移的数据的位置告诉给 DMA，包括源地址，目的地址以及需要迁移的长度，然后启动 DMA 设备，DMA 设备收到命令之后，就去完成相应的操作，最后通过中断反馈给老板 CPU，结束。
在实现 DMA 传输时，是 DMA 控制器掌控着总线，也就是说，这里会有一个控制权转让的问题，我们当然知道，计算机中最大的 BOSS 就是 CPU，这个 DMA 暂时掌管的总线控制权当前也是 CPU 赋予的，在 DMA 完成传输之后，会通过中断通知 CPU 收回总线控制权。
一个完整的 DMA 传输过程必须经过 DMA 请求、DMA 响应、DMA 传输、DMA 结束这四个阶段。
DMA 请求：CPU 对 DMA 控制器初始化，并向 I/O 接口发出操作命令，I/O 接口提出 DMA 请求
DMA 响应：DMA 控制器对 DMA 请求判别优先级以及屏蔽位，向总线裁决逻辑提出总线请求，当 CPU 执行完成当前的总线周期之后即可释放总线控制权。此时，总线裁决逻辑输出总线应答，表示 DMA 已经就绪，通过 DMA 控制器通知 I/O 接口开始 DMA 传输。
DMA 传输：在 DMA 控制器的引导下，在存储器和外设之间进行数据传送，在传送过程中不需要 CPU 的参与。
DMA 结束：当完成既定操作之后，DMA 控制器释放总线控制权，并向 I/O 接口发出结束信号，当 I/O 接口收到结束信号之后，一方面停止 I/O 设备的工作，另一方面向 CPU 提出中断请求，使 CPU 从不介入状态解脱，并执行一段检查本次 DMA 传输操作正确性的代码。最后带着本次操作的结果以及状态继续执行原来的程序。
2.1 DMA channels
一个DMA controller可以“同时”进行的DMA传输的个数是有限的，这称作DMA channels。当然，这里的channel，只是一个逻辑概念，因为：
鉴于总线访问的冲突，以及内存一致性的考量，从物理的角度看，不大可能会同时进行两个（及以上）的DMA传输。因而DMA channel不太可能是物理上独立的通道；
很多时候，DMA channels是DMA controller为了方便，抽象出来的概念，让consumer以为独占了一个channel，实际上所有channel的DMA传输请求都会在DMA controller中进行仲裁，进而串行传输；
因此，软件也可以基于controller提供的channel（我们称为“物理”channel），自行抽象更多的“逻辑”channel，软件会管理这些逻辑channel上的传输请求。实际上很多平台都这样做了，在DMA Engine framework中，不会区分这两种channel（本质上没区别）。
2.2 DMA request lines
由图片1的介绍可知，DMA传输是由CPU发起的：CPU会告诉DMA控制器，帮忙将xxx地方的数据搬到xxx地方。CPU发完指令之后，就当甩手掌柜了。而DMA控制器，除了负责怎么搬之外，还要决定一件非常重要的事情（特别是有外部设备参与的数据传输）：何时可以开始数据搬运？
因为，CPU发起DMA传输的时候，并不知道当前是否具备传输条件，例如source设备是否有数据、dest设备的FIFO是否空闲等等。那谁知道是否可以传输呢？设备！因此，需要DMA传输的设备和DMA控制器之间，会有几条物理的连接线（称作DMA request，DRQ），用于通知DMA控制器可以开始传输了。
这就是DMA request lines的由来，通常来说，每一个数据收发的节点（称作endpoint），和DMA controller之间，就有一条DMA request line（memory设备除外）。
最后总结：DMA channel是Provider（提供传输服务），DMA request line是Consumer（消费传输服务）。在一个系统中DMA request line的数量通常比DMA channel的数量多，因为并不是每个request line在每一时刻都需要传输。
2.3 传输参数
2.3.1 transfer size
在最简单的DMA传输中，只需为DMA controller提供一个参数----transfer size，它就可以欢快的工作了：在每一个时钟周期，DMA controller将1byte的数据从一个buffer搬到另一个buffer，直到搬完“transfer size”个bytes即可停止。
2.3.2 transfer width
不过这在现实世界中往往不能满足需求，因为有些设备可能需要在一个时钟周期中，传输指定bit的数据，例如：memory之间传输数据的时候，希望能以总线的最大宽度为单位（32-bit、64-bit等），以提升数据传输的效率；而在音频设备中，需要每次写入精确的16-bit或者24-bit的数据；等等。因此，为了满足这些多样的需求，我们需要为DMA controller提供一个额外的参数----transfer width。
enum dma_slave_buswidth {
DMA_SLAVE_BUSWIDTH_UNDEFINED = 0,
DMA_SLAVE_BUSWIDTH_1_BYTE = 1,
DMA_SLAVE_BUSWIDTH_2_BYTES = 2,
DMA_SLAVE_BUSWIDTH_3_BYTES = 3,
DMA_SLAVE_BUSWIDTH_4_BYTES = 4,
DMA_SLAVE_BUSWIDTH_8_BYTES = 8,
DMA_SLAVE_BUSWIDTH_16_BYTES = 16,
DMA_SLAVE_BUSWIDTH_32_BYTES = 32,
DMA_SLAVE_BUSWIDTH_64_BYTES = 64,
};2.3.3 burst size
另外，当传输的源或者目的地是memory的时候，为了提高效率，DMA controller不愿意每一次传输都访问memory，而是在内部开一个buffer，将数据缓存在自己buffer中：
memory是源的时候，一次从memory读出一批数据，保存在自己的buffer中，然后再一点点（以时钟为节拍），传输到目的地；
memory是目的地的时候，先将源的数据传输到自己的buffer中，当累计一定量的数据之后，再一次性的写入memory。
这种场景下，DMA控制器内部可缓存的数据量的大小，称作burst size----另一个参数。
2.3.4 DMA transfer way
block DMA方式
Scatter-gather DMA方式
在DMA传输数据的过程中，要求源物理地址和目标物理地址必须是连续的。但是在某些计算机体系中，如IA架构，连续的存储器地址在物理上不一定是连续的，所以DMA传输要分成多次完成。
如果在传输完一块物理上连续的数据后引起一次中断，然后再由主机进行下一块物理上连续的数据传输，那么这种方式就为block DMA方式。
Scatter-gather DMA使用一个链表描述物理上不连续的存储空间，然后把链表首地址告诉DMA master。DMA master在传输完一块物理连续的数据后，不用发起中断，而是根据链表来传输下一块物理上连续的数据，直到传输完毕后再发起一次中断。
很显然，scatter-gather DMA方式比block DMA方式效率高。
注2：具体怎么支持，和硬件实现有关，这里不再多说（只需要知道有这个事情即可，编写DMA controller驱动的时候，自然会知道怎么做）。
3 DMA 控制器与 CPU 怎样分时使用内存
外围设备可以通过 DMA 控制器直接访问内存，与此同时，CPU 可以继续执行程序逻辑，通常采用以下三种方法实现 DMA 控制机与 CPU 分时使用内存：
- 停止 CPU 访问内存；
- 周期挪用；
- DMA 与 CPU 交替访问内存。
3.1 停止 CPU 访问内存
当外围设备要求传送一批数据时，由 DMA 控制器发一个停止信号给 CPU，要求 CPU 放弃对地址总线、数据总线和有关控制总线的使用权，DMA 控制器获得总线控制权之后，开始进行数据传输，在一批数据传输完毕之后，DMA 控制器通知 CPU 可以继续使用内存，并把总线控制权交还给 CPU。图（a）就是这样的一个传输图，很显然，在这种 DMA 传输过程中，CPU 基本处于不工作状态或者保持状态。
优点：控制简单，是用于数据传输率很高的设备进行成组的传输。
缺点：在 DMA 控制器访问内存阶段，内存效能没有充分发挥，相当一部分的内存周期是空闲的，这是因为外围设备传送两个数据之间的间隔一般大于内存存储间隔，即使是再告诉的 I/O 存储设备也是如此（就是内存读写速率比 SSD 等都快）。
3.2 周期挪用
当 I/O 设备没有 DMA 请求时，CPU 按照程序要求访问内存；一旦 I/O 设备有 DMA 请求，则由 I/O 设备挪用一个或者几个内存周期，这种传送方式如下图所示：
I/O 设备要求 DMA 传送时可能遇到两种情况：
第一种：此时 CPU 不需要访问内存，例如，CPU 正在执行乘法指令，由于乘法指令执行时间长，此时 I/O 访问与 CPU 访问之间没有冲突，则 I/O 设备挪用一两个内存周期是对 CPU 执行没有任何的影响。
第二种：I/O 设备要求访问内存时，CPU 也需要访问内存，这就产生了访问内存冲突，在这种情况下 I/O 设备优先访问，因为 I/O 访问有时间要求，前一个 I/O 数据必须在下一个访问请求来到之前存储完毕。显然，在这种情况下，I/O 设备挪用一两个内存周期，意味着 CPU 延缓了对指令的执行，或者更为明确的讲，在 CPU 执行访问指令的过程中插入了 DMA 请求。周期挪用内存的方式与停止 CPU 访问内存的方式对比，这种方式，既满足了 I/O 数据的传送，也发挥了 CPU 和内存的效率，是一种广泛采用的方法，但是 I/O 设备每一周期挪用都有申请总线控制权，建立总线控制权和归还总线控制权的过程，所以不适合传输小的数据。这种方式比较适用于 I/O 设备读写周期大于内存访问周期的情况。
3.3 DMA 和 CPU 交替访问内存
如果 CPU 的工作周期比内存的存储周期长很多，此时采用交替访问内存的方法可以使 DMA 传送和 CPU 同时发挥最高效率。这种传送方式的时间图如下：
此图是 DMA 和 CPU 交替访问内存的消息时间图，假设 CPU 的工作周期为 1.2us，内存的存储周期小于 0.6us，那么一个 CPU 周期可以分为 C1 和 C2 两个分周期，其中 C1 专供 DMA 控制器访问内存，C2 专供 CPU 访问内存。这种方式不需要总线使用权的申请、建立和归还的过程，总线的使用权是通过 C1 和 C2 分时机制决定的。CPU 和 DMA 控制器各自有自己的访问地址寄存器、数据寄存器和读写信号控制寄存器。在 C1 周期中，如果 DMA 控制器有访问请求，那么可以将地址和数据信号发送到总线上。在 C2 周期内，如果 CPU 有访问内存的请求，同样将请求的地址和数据信号发送到总线上。事实上，这是用 C1 C2 控制的一个多路转换器，这种总线控制权的转移几乎不需要什么时间，所以对于 DMA 来讲是很高效率的。
这种传送方式又称为“透明 DMA”方式，其由来是由于 DMA 传送对于 CPU 来讲是透明的，没有任何感觉。在透明 DMA 方式下 CPU 不需要停止主程序的运行，也不进入等待状态，是一种很高效率的工作方式，当然，相对应的硬件设计就会更加复杂。
以上是传统意义的 DMA：是一种完全由硬件执行 I/O 交换的工作方式。这种方式中，DMA 控制器和 CPU 完全接管对总线的控制，数据交换不经过 CPU，而直接在内存和 I/O 设备之间进行。DMA 工作时，由 DMA 控制器向内存发起地址和控制信号，进行地址修改，对传输的数据进行统计，并以中断的形式通知 CPU 数据传输完成。
4 DMA 导致的问题
DMA 不仅仅只会带来效率的提升，同样，它也会带来一些问题，最明显的就是缓存一致性问题。想象一下，现代的 CPU 都是自带一级缓存、二级缓存甚至是三级缓存，当 CPU 访问内存某个地址时，暂时先将新的值写入到缓存中，但是没有更新外部内存的数据，假设此时发生了 DMA 请求且操作的就是这一块在缓存中更新了而外部内存没有更新的内存地址，这样 DMA 读到的就是非最新数据；相同的，如果外部设备通过 DMA 将新值写入到内存中，但是 CPU 访问得到的确实缓存中的数据，这样也会导致拿到的不是最新的数据。
为了能够正确进行 DMA 操作，必须进行必要的 Cache 操作，Cache 的操作主要分为 invalidate（作废）和 writeback（回写），有时候也会二者一同使用。如果 DMA 使用了 Cache，那么 Cache 一致性问题是必须要考虑的，解决的最简单的办法就是禁止 DMA 目标地址范围的 Cache 功能，但是这样会牺牲掉一定的性能。因此，在 DMA 是否使用 cache 的问题上，可以根据 DMA 缓冲区的期望保留时间长短来决策。DMA 被区分为：一致性 DMA 映射和流式 DMA 映射。
一致性 DMA 映射：申请的缓存区会被以非缓存的形式映射，一致性映射具有很长的生命周期，在这段时间内占用映射寄存器，即使不再使用也不会释放，一般情况下，一致性 DMA 的生命周期会被设计为驱动的生命周期（也就是在 init 里面注册，在 exit 里面释放）。
流式 DMA 映射：实现比较复杂，表现特征为使用周期很短，它的实现中会主动保持缓存的一致性。在使用方法上，流式 DMA 还需要指定内核数据的流向，不然会导致不可预期的后果。不过很多的现代处理能能够自己来保证 CPU 和 DMA 控制器之间的 cache 一致性问题，比如 ARM 的 ACP 功能，这样像dma_map_single函数只是返回物理地址，而dma_unmap_single则什么都不做，这样极大的提升了系统性能。
4.1 流式 DMA映射 和一致性 DMA映射区别
一致性 DMA映射，采用的是系统预留的一段 DMA 内存用于 DMA 操作，这一段内核在系统启动阶段就已经预留完毕，比如 arm64 平台会在 dts 文件中写明系统预留的 DMA 内存段位于何处，并且会被标志为用于 dma 一致性内存申请，如果你有关注 DMA 的一致性映射操作 API 就会发现，一致性 DMA 不会去使用别的地方申请的内存，它都是通过dma_alloc_coherent自我申请内存，然后驱动自己填充数据，最后被提交给 DMA 控制器。
流式 DMA映射 ，它可以是随意的内存交给 DMA 进行处理，不需要从系统预留的 DMA 位置进行内存申请，任何普通的 kmalloc 申请的内存都能交给 DMA 控制器进行操作。
二者是如何做到缓存一致性的：
一致性 DMA ，在 DMA 内存申请的过程中，首先进行一个 ioremap_nocache 的映射，然后调用函数 dma_cache_wback_inv 保证缓存已经刷新到位之后，后面使用这一段内存时不存在一二级缓存；
流式 DMA ，不能直接禁止缓存，因为流式 DMA 可以使用系统中的任意地址范围的地址，CPU 总不能将系统所有的地址空间都禁止缓存，这不科学，那么为了实现缓存一致性，流式 DMA 需要不断的对缓存进行失效操作，告诉 CPU 这一段缓存是不可信的，必须从内存中重新获取。一致性 DMA 就是直接将缓存禁止，而流式 DMA 则是将缓存失效刷新。
4.2 Linux内核中流式、一致性映射的API
DMA 的内核编程 API，描述了Linux内核中DMA流式、一致性映射的一些API。
5 参考文献
[1] Documentation/dmaengine/provider.txt
[2] Documentation\dmaengine\client.txt
[3] Documentation\dmaengine\dmatest.txt
[4] Documentation\crypto\async-tx-api.txt
[5] Documentation\DMA-API-HOWTO.txt
[6] Documentation\DMA-API.txt
[7] Linux DMA Engine framework(1) - DMA Introduction_Hacker_Albert的博客-CSDN博客
更多推荐
7
0- 0
已为社区贡献9条内容
所有评论(0)