3.3 DMA：让外设自己搬数据

3.3 DMA：让外设自己搬数据

本节摘要：DMA 引擎让外设绕开 CPU 直接读写内存。本节讲清 DMA 解决什么问题、一致性与流式两种映射的分工、一次完整传输的时序与缓存同步，最后点出地址对齐与掩码这两个高频翻车点。

先看一段 CPU 亲自搬数据的循环：从外设 FIFO 读一个字，存进内存，指针前移，循环往复。对几个字节的状态数据这没什么，但想象图像传感器每秒产出几十兆字节——CPU 的时间全花在"搬运工"角色上，真正的计算任务反而饿着。DMA（直接内存访问）的思路是给这块搬运工作配一个专职引擎：CPU 告诉 DMA 控制器"源、目的地、长度"，然后去干别的；引擎搬完，用一个中断通知"货到了"。CPU 从搬运工变回调度员。

DMA 传输的完整时序

一次典型的"外设到内存"传输分五步，每步都有明确的主角：

1. 驱动准备缓冲区，把地址与长度写入 DMA 控制器寄存器
2. 驱动启动传输，CPU 立刻返回去干别的
3. DMA 引擎按协商好的总线事务逐块搬运，CPU 全程不参与
4. 搬运完成，DMA 控制器发出完成中断
5. 中断处理里驱动确认状态、交付数据、准备下一轮
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配套的硬件细节是描述符：大多数 DMA 控制器不吃单条传输命令，而吃一张链表——每项描述符写着一小段传输的源、目的、长度与"下一项在哪"。驱动的工作就是填描述符、维护链表，引擎顺着链表自己往下走。这个结构在第 5 章网络驱动的收发环里会原样再现。

CPU 搬运与 DMA 搬运的对照

两类映射：一致性缓冲与流式映射

DMA 的麻烦不在搬运本身，而在内存系统的不一致。CPU 带缓存写数据，最新内容可能还在缓存里没落到内存；DMA 引擎直接访问内存，看到的却是旧数据。内核用两类映射解决这个问题，适用场景不同。

一致性映射：缓冲区分配时就带"CPU 与设备一致"属性——CPU 写完立即可见，设备写完 CPU 立即可读，不需要手工同步。代价是这类内存分配代价高、可能牺牲缓存性能，适合长期驻留的控制结构，比如 DMA 描述符链本身：

#include <linux/dma-mapping.h>

struct dma_desc {                     /* 设备约定的描述符格式 */
    u32 src_addr;
    u32 dst_addr;
    u32 length;
    u32 next;
};

static struct dma_desc *desc_virt;    /* CPU 侧虚拟地址 */
static dma_addr_t      desc_dma;      /* 设备侧 DMA 地址 */

desc_virt = dma_alloc_coherent(dev, sizeof(*desc_virt) * 32,
                               &desc_dma, GFP_KERNEL);
/* 两个地址指向同一块内存：CPU 用 desc_virt，写给设备的寄存器用 desc_dma */
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注意一个内存、两个地址：CPU 拿虚拟地址访问，DMA 控制器拿总线地址访问，两者都由分配函数一并给出。把虚拟地址直接写进设备寄存器是新手大忌。

流式映射：对已经存在的缓冲区（比如网络包缓冲）做临时映射，映射期间所有权归设备，归还时做方向相关的缓存同步。适合大批量、一次性的数据传输：

dma_addr_t buf_dma;

/* 发送方向：CPU 写完 → 映射 → 设备读 */
buf_dma = dma_map_single(dev, tx_buf, len, DMA_TO_DEVICE);
if (dma_mapping_error(dev, buf_dma))
        return -EIO;

iowrite32(buf_dma, dma_base + REG_SRC);     /* 告诉引擎源地址 */
iowrite32(len,       dma_base + REG_LEN);   /* 告诉引擎长度 */
iowrite32(1,         dma_base + REG_START); /* 发车 */

/* 完成中断里：先撤销映射（内含缓存同步），CPU 再访问 */
dma_unmap_single(dev, buf_dma, len, DMA_TO_DEVICE);
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方向参数不是摆设：DMA_TO_DEVICE 只刷出 CPU 缓存，DMA_FROM_DEVICE 只作废缓存让 CPU 重读。方向标错，轻则数据陈旧，重则破坏相邻内存。

三个高频翻车点

地址对齐与宽度。许多 DMA 控制器要求缓冲区地址与长度按特定宽度对齐（常见 4 或 8 字节起线）。分配时用带对齐参数的分配器，别赌运气。

掩码声明。设备能寻址的内存范围有限（32 位设备够不到 64 位地址的高区），驱动必须先声明能力：

ret = dma_set_mask_and_coherent(dev, DMA_BIT_MASK(32));
if (ret)
        return ret;          /* 设备与平台协商失败，后续 DMA 不可用 */
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不声明掩码，分配器可能给出设备根本访问不到的地址，传输悄无声息地失败——日志干净、数据全错，是 DMA 排错里最难缠的一类（第 7 章的排错实录有它的戏份）。

所有权纪律。缓冲区映射给设备期间，CPU 不得读写——两边同时写就是数据损坏竞态。纪律很简单：映射即移交，撤销即收回，中间绝不插手。

散列表与多段缓冲：真实设备的常态

单一连续缓冲只是教学形态，真实传输常常碎成多段：网络包的数据与头部分离存放、上层想"零拷贝"地直接把用户页交给设备。DMA 框架为此提供散列表映射——把一串分散的内存段一次性映射，产出设备可见的散列表结构：

#include <linux/scatterlist.h>

struct scatterlist sg[2];
struct page *page1, *page2;           /* 两段不连续的页 */

sg_init_table(sg, 2);
sg_set_page(&sg[0], page1, PAGE_SIZE, 0);   /* 第一段：整页 */
sg_set_page(&sg[1], page2, 512, 0);         /* 第二段：半页 */

ret = dma_map_sg(dev, sg, 2, DMA_TO_DEVICE);
if (ret != 2)                             /* 返回映射后的段数 */
    return -EIO;

/* 遍历映射结果写入描述符链：引擎按段逐块搬运 */
for_each_sg(sg, sg_iter, ret, i) {
    desc->addr = sg_dma_address(sg_iter);  /* 设备侧地址 */
    desc->len   = sg_dma_len(sg_iter);
    desc = desc->next;
}

dma_unmap_sg(dev, sg, 2, DMA_TO_DEVICE);
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注意映射后取地址与长度要用专门的取值宏——映射过程中框架可能做了合并或重排，原始散列表内容不能直接用。支持散列聚合的设备（一次描述符吃多段）与不支持的设备（一段一描述符）在这里分野，驱动的描述符管理代码按设备能力写，映射接口是统一的。

本节要点回顾

• DMA 把 CPU 从搬运中解放：下指令、收中断，其余交给引擎。
• 一个内存两个地址：CPU 用虚拟地址、设备用总线地址，勿混用。
• 一致性映射管控制结构，流式映射管批量数据：按生命周期选型。
• 方向、对齐、掩码是三大事故源，每个都有明确的检查手段。

寄存器与内存的通道都通了。最后一站补上"通道的规矩"——总线协议：同样的寄存器操作，挂在 I2C、SPI 还是 PCIe 上，玩法完全不同。