Linux系统对ISA总线DMA的实现

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端口空间中的地址如下：

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

注意两点：

1. 各DMA通道的Address Register是一个16位的寄存器，但其对应的I/O端口是8位宽，因此对这个寄存器的读写就需要两次连续的I/O端口读写操作，低8位首先被发送，然后紧接着发送高8位。

2. 各DMA通道的Count Register：这也是一个16位宽的寄存器（无论对于8位DMA还是16位DMA），但相对应的I/O端口也是8位宽，因此读写这个寄存器同样需要两次连续的I/O端口读写操作，而且同样是先发送低8位，再发送高8位。往这个寄存器中写入的值应该是实际要传输的数据长度减1后的值。在DMA传输事务期间，这个寄存器中的值在每次DMA传输操作后都会被减1，因此读取这个寄存器所得到的值将是当前DMA事务所剩余的未传输数据长度减1后的值。当DMA传输事务结束时，该寄存器中的值应该被置为0。

2．4 DMA通道的典型使用

在一个典型的PC机中，某些DMA通道通常被固定地用于一些PC机中的标准外设，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 启动一个DMA传输事务的步骤

要启动一个DMA传输事务必须对8237进行编程，其典型步骤如下：

1.通过CLI指令关闭中断。

2.Disable那个将被用于此次DMA传输事务的DMA通道。

3.向Flip-Flop寄存器中写入0值，以重置它。

4.设置Mode Register。

5.设置Page Register。

6.设置Address Register。

7.设置Count Register。

8.Enable那个将被用于此次DMA传输事务的DMA通道。

9.用STI指令开中断。


3．3 对DMAC的保护

DMAC是一种全局的共享资源，为了保证设备驱动程序对它的独占访问，Linux在kernel／dma.c文件中定义了自旋锁dma_spin_lock来保护它（实际上是保护DMAC的I/O端口资源）。任何想要访问DMAC的设备驱动程序都首先必须先持有自旋锁dma_spin_lock。如下：

static __inline__ unsigned long claim_dma_lock(void)
{
unsigned long flags;
spin_lock_irqsave(&dma_spin_lock, flags); /* 关中断，加锁*/
return flags;
}

static __inline__ void release_dma_lock(unsigned long flags)
{
spin_unlock_irqrestore(&dma_spin_lock, flags);/* 开中断，开锁*/
}

4 Linux对ISA DMA通道资源的管理

DMA通道是一种系统全局资源。任何ISA外设想要进行DMA传输，首先都必须取得某个DMA通道资源的使用权，并在传输结束后释放所使用DMA通道资源。从这个角度看，DMA通道资源是一种共享的独占型资源。

Linux在kernel/Dma.c文件中实现了对DMA通道资源的管理。

4．1 对DMA通道资源的描述

Linux在kernel/Dma.c文件中定义了数据结构dma_chan来描述DMA通道资源。该结构类型的定义如下：

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

其中，如果成员lock！＝0则表示DMA通道正被某个设备所使用；否则该DMA通道就处于free状态。而成员device_id就指向使用该DMA通道的设备名字字符串。

基于上述结构类型dma_chan，Linux定义了全局数组dma_chan_busy［］，以分别描述8个DMA通道资源各自的使用状态。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 }
};

显然，在初始状态时除了DMA通道4外，其余DMA通道皆处于free状态。

4．2 DMA通道资源的申请

任何ISA卡在使用某个DMA通道进行DMA传输之前，其设备驱动程序都必须向内核提出DMA通道资源的申请。只有申请获得成功后才能使用相应的DMA通道。否则就会发生资源冲突。

函数request_dma（）实现DMA通道资源的申请。其源码如下：


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;
}

上述函数的核心实现就是用原子操作xchg()让成员变量dma_chan_busy[dmanr].lock和值1进行交换操作，xchg()将返回lock成员在交换操作之前的值。因此：如果xchg()返回非0值，这说明dmanr所指定的DMA通道已被其他设备所占用，所以request_dma()函数返回错误值－EBUSY表示指定DMA通道正忙；否则，如果xchg()返回0值，说明dmanr所指定的DMA通道正处于free状态，于是xchg()将其lock成员设置为1，取得资源的使用权。

4．3 释放DMA通道资源

DMA传输事务完成后，设备驱动程序一定要记得释放所占用的DMA通道资源。否则别的外设将一直无法使用该DMA通道。

函数free_dma()释放指定的DMA通道资源。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 */

显然，上述函数的核心实现就是用原子操作xchg()将lock成员清零。

4．4 对/proc/dma文件的实现

文件／proc/dma将列出当前8个DMA通道的使用状况。Linux在kernel/Dma.c文件中实现了函数个get_dma_list()函数来至此/proc/dma文件的实现。函数get_dma_list()的实现比较简单。主要就是遍历数组dma_chan_busy[]，并将那些lock成员为非零值的数组元素输出到列表中即可。如下：

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

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