3. Linux DMA子系统

在 Linux 中，DMA 并不是“某个驱动直接操作寄存器搬数据”这么简单。内核提供了一套通用抽象层 dmaengine，把不同厂商、不同总线、不同通道能力的 DMA 控制器统一成标准接口。驱动开发者只需要面向“通道、描述符、传输请求”编程，而不必为每个 SoC 重写一套 DMA 逻辑。理解 dmaengine 的层次结构，是后续做 DMA 吞吐分析和性能调优的基础。

一、dmaengine 框架的分层结构

dmaengine 位于内核 drivers/dma/ 目录，核心文件是 dmaengine.c 与 dmaengine.h。它把系统划分为三层：最上层是客户端驱动（如 SPI、I2C、音频、存储、网络驱动），中间是dmaengine 核心，最下层是DMA 控制器驱动。客户端不直接接触硬件，控制器驱动也不关心谁在用它，二者通过 dmaengine 核心完成解耦。

核心抽象对象主要有四个：struct dma_device 表示一个 DMA 控制器；struct dma_chan 表示一条可用通道；struct dma_slave_config 描述从设备方向、地址、宽度、突发长度等参数；struct dma_async_tx_descriptor 表示一次异步传输任务。客户端拿到通道后，配置 slave 参数，提交描述符，最后通过回调或 dma_sync_wait() 等待完成。

二、DMA 控制器驱动如何注册能力

控制器驱动在 probe 阶段完成三件事：申请硬件资源、初始化 dma_device、调用 dma_async_device_register() 注册到核心。注册时最关键的是填写能力字段，例如 directions（支持的方向）、copy_align（对齐要求）、max_burst（最大突发）、src_addr_widths 与 dst_addr_widths（地址宽度）。这些字段决定了客户端能否成功申请到匹配的通道。

static int my_dma_probe(struct platform_device *pdev)
{
    struct my_dma *d = devm_kzalloc(&pdev->dev, sizeof(*d), GFP_KERNEL);
    d->dev = &pdev->dev;

    INIT_LIST_HEAD(&d->dma_device.channels);
    d->dma_device.dev = &pdev->dev;
    d->dma_device.copy_align = DMAENGINE_ALIGN_4_BYTES;
    d->dma_device.directions = BIT(DMA_MEM_TO_DEV) | BIT(DMA_DEV_TO_MEM);
    d->dma_device.device_prep_slave_sg = my_prep_slave_sg;
    d->dma_device.device_issue_pending = my_issue_pending;
    d->dma_device.device_tx_status = my_tx_status;

    for (i = 0; i < d->nr_channels; i++)
        my_dma_chan_init(d, i);

    return dma_async_device_register(&d->dma_device);
}

注意 device_prep_slave_sg、device_issue_pending、device_tx_status 是控制器必须实现的核心回调。缺少任何一个，客户端提交传输时都会失败或无法获知完成状态。

三、客户端 API 与通道申请释放流程

客户端驱动的典型流程是“申请—配置—准备—提交—触发—等待—释放”。每一步都有对应 API，顺序不能颠倒。下面给出一个从设备接收方向的完整示例：

struct dma_chan *chan;
struct dma_slave_config cfg;
struct dma_async_tx_descriptor *tx;
dma_cookie_t cookie;

chan = dma_request_chan(dev, "rx");
if (IS_ERR(chan))
    return PTR_ERR(chan);

memset(&cfg, 0, sizeof(cfg));
cfg.direction = DMA_DEV_TO_MEM;
cfg.src_addr = rx_fifo_phys;
cfg.src_addr_width = DMA_SLAVE_BUSWIDTH_4_BYTES;
cfg.dst_addr_width = DMA_SLAVE_BUSWIDTH_4_BYTES;
cfg.src_maxburst = 16;
cfg.dst_maxburst = 16;
dma_slave_config(chan, &cfg);

tx = dmaengine_prep_slave_sg(chan, sgl, sg_len,
                             DMA_DEV_TO_MEM,
                             DMA_PREP_INTERRUPT | DMA_CTRL_ACK);
tx->callback = my_dma_callback;
tx->callback_param = priv;

cookie = dmaengine_submit(tx);
dma_async_issue_pending(chan);

/* 传输完成后在回调中处理，或使用 dma_sync_wait(chan, cookie) 同步等待 */

dma_release_channel(chan);

其中 dma_request_chan() 会依据设备树中的 dmas 与 dma-names 属性查找通道；dmaengine_submit() 返回 cookie，用于后续状态查询；dma_async_issue_pending() 才是真正“启动”传输的调用，很多初学者漏掉它，导致传输永远不开始。

四、常见误区与复盘清单