Linux内核DMA与缓存一致性编程实战工程 - 第1节

1.1 DMA 定义

DMA（Direct Memory Access，直接存储器访问） 是一种允许硬件子系统（外设、存储控制器、加速器）在不经过 CPU 参与的情况下，直接与系统内存进行数据读写的技术。DMA 控制器（DMAC）作为总线上的主设备，接管总线控制权，完成数据搬运任务。

1.2 DMA 工作原理

DMA 传输通常遵循以下步骤：

1. CPU 初始化 DMAC：设置源地址、目的地址、传输长度、传输方向、触发方式。
2. 外设发起请求：外设通过 DREQ 信号通知 DMAC 需要数据传输。
3. DMAC 获取总线控制权：DMAC 向 CPU 发出总线请求（HOLD/BREQ），CPU 在完成当前总线周期后释放总线（HLDA/BGNT）。
4. DMAC 执行传输：DMAC 作为总线主控，直接在外设和内存之间搬运数据。
5. 传输完成：DMAC 释放总线控制权，向 CPU 发送中断信号（DMA_IRQ），通知传输结束。

1.3 DMA 与 CPU 数据搬运对比

传统 CPU 使用 PIO（Programmed I/O） 模式搬运数据，即 CPU 通过 load/store 指令逐字读写外设或内存。DMA 与 PIO 在性能、CPU 占用率和延迟方面存在显著差异：

1.4 DMA 传输类型

根据数据源和目的地的不同，DMA 传输分为三种基本类型：

1.4.1 内存到内存（Memory-to-Memory）

数据从一块内存区域复制到另一块内存区域，不涉及外设。典型应用：memcpy 硬件加速、帧缓冲拷贝、数据搬移。

• 源和目的都是系统内存地址空间
• 通常由软件显式触发（软件触发 DMA）
• 不需要外设请求信号
• 在 Linux 中通过 dmaengine 的 DMA_MEMCPY 操作实现

1.4.2 内存到外设（Memory-to-Device）

数据从内存传输到外设的 FIFO 或寄存器。典型应用：LCD 显示数据刷新、音频播放（I2S 发送）、以太网数据发送。

• 源地址：内存缓冲区（通常是 DMA 可访问区域）
• 目的地址：外设数据寄存器地址（固定）
• 外设通过 DREQ 信号控制传输节奏（流控模式）
• 在 Linux 中对应 DMA_DEV_TO_MEM 方向（从设备角度看是读）

1.4.3 外设到内存（Device-to-Memory）

数据从外设传输到系统内存。典型应用：摄像头图像采集、音频录音（I2S 接收）、网络数据接收。

• 源地址：外设数据寄存器地址（固定）
• 目的地址：内存缓冲区
• 外设产生数据时发起 DREQ
• 在 Linux 中对应 DMA_MEM_TO_DEV 方向

enum dma_data_direction {
    DMA_BIDIRECTIONAL    = 0,  // 双向传输
    DMA_TO_DEVICE        = 1,  // 内存→外设
    DMA_FROM_DEVICE      = 2,  // 外设→内存
    DMA_NONE             = 3,  // 无传输
};