2. Linux内核DMA子系统概述

DMA（Direct Memory Access，直接存储器访问）是嵌入式Linux系统中实现高性能数据搬运的核心硬件机制。本章从全局视角剖析Linux内核DMA子系统的分层架构、核心框架以及关键数据结构，为后续编写具体DMA控制器驱动奠定理论基础。

2.1 Linux DMA引擎架构

Linux内核的DMA子系统采用分层解耦的设计思想，将硬件相关的控制器操作与上层通用API彻底分离。整个架构自底向上分为三层：

2.2 dmaengine框架介绍

dmaengine是Linux内核自2.6.31版本引入的通用DMA框架，旨在替代各平台零散的私有DMA接口。框架的核心设计理念包括：

• 通道抽象： 每个DMA控制器包含多个通道，每个通道代表一条独立的数据搬运路径。
• 描述符链： 支持将多个DMA传输描述符链接成链，硬件自动逐个执行，减少CPU干预。
• 异步回调： 传输完成时通过回调通知上层，支持同步等待和异步通知两种模式。
• 事务类型： 支持memcpy、slave_sg（散列表）、cyclic（循环）、interleaved（交错）等多种传输模式。

2.2.1 核心工作流程

一个典型的dmaengine事务从申请到完成经历以下阶段：

1. 通道申请： 调用 dma_request_channel() 获取一个满足过滤条件的DMA通道。
2. 描述符准备： 调用 dmaengine_prep_slave_sg() 或 dmaengine_prep_dma_memcpy() 创建传输描述符。
3. 提交事务： 调用 dmaengine_submit() 将描述符放入硬件待处理队列。
4. 启动传输： 调用 dma_async_issue_pending() 通知硬件开始搬运数据。
5. 等待完成： 通过回调函数或 dma_wait_for_async_tx() 同步等待传输结束。
6. 释放通道： 使用完毕后调用 dma_release_channel() 归还通道。

2.3 主要内核头文件与数据结构

开发DMA控制器驱动需要熟悉以下核心头文件和数据结构，它们是框架与硬件驱动之间的契约。

2.3.1 关键头文件

2.3.2 核心数据结构

以下四个数据结构是dmaengine框架的基石，每个DMA控制器驱动都必须与之交互：

// 文件：include/linux/dmaengine.h

/**
 * struct dma_device - 代表一个DMA控制器
 * @dev: 设备结构体指针
 * @chancnt: 通道数量
 * @channels: 通道链表头
 * @cap_mask: 控制器支持的能力位图
 * @device_alloc_chan_resources: 分配通道资源回调
 * @device_free_chan_resources: 释放通道资源回调
 * @device_prep_slave_sg: 准备散列表传输描述符
 * @device_prep_dma_memcpy: 准备内存拷贝描述符
 * @device_issue_pending: 启动待处理传输
 * @device_tx_status: 查询传输状态
 */
struct dma_device {
    struct device *dev;
    unsigned int chancnt;
    struct list_head channels;
    dma_cap_mask_t cap_mask;

    int (*device_alloc_chan_resources)(struct dma_chan *chan);
    void (*device_free_chan_resources)(struct dma_chan *chan);
    struct dma_async_tx_descriptor *(*device_prep_slave_sg)(
        struct dma_chan *chan, struct scatterlist *sgl,
        unsigned int sg_len, enum dma_transfer_direction direction,
        unsigned long flags, void *context);
    struct dma_async_tx_descriptor *(*device_prep_dma_memcpy)(
        struct dma_chan *chan, dma_addr_t dest, dma_addr_t src,
        size_t len, unsigned long flags);
    void (*device_issue_pending)(struct dma_chan *chan);
    enum dma_status (*device_tx_status)(struct dma_chan *chan,
        dma_cookie_t cookie, struct dma_tx_state *txstate);
};

/**
 * struct dma_chan - DMA通道实例
 * @device: 所属的DMA控制器
 * @cookie: 当前传输的cookie标识
 * @chan_id: 通道ID
 * @slave: 指向从设备配置
 */
struct dma_chan {
    struct dma_device *device;
    dma_cookie_t cookie;
    int chan_id;
    struct dma_slave_config *slave;
};

/**
 * struct dma_async_tx_descriptor - 异步传输描述符
 * @tx_submit: 提交描述符到硬件队列
 * @callback: 传输完成回调函数
 * @callback_param: 回调参数
 * @chan: 所属通道
 */
struct dma_async_tx_descriptor {
    dma_cookie_t (*tx_submit)(struct dma_async_tx_descriptor *tx);
    dma_async_tx_callback callback;
    void *callback_param;
    struct dma_chan *chan;
};

/**
 * struct dma_slave_config - 从设备DMA配置
 * @direction: 传输方向
 * @src_addr: 源外设地址
 * @dst_addr: 目的外设地址
 * @src_addr_width: 源数据宽度（字节）
 * @dst_addr_width: 目的数据宽度
 * @src_maxburst: 源突发传输长度
 * @dst_maxburst: 目的突发传输长度
 */
struct dma_slave_config {
    enum dma_transfer_direction direction;
    dma_addr_t src_addr;
    dma_addr_t dst_addr;
    enum dma_slave_buswidth src_addr_width;
    enum dma_slave_buswidth dst_addr_width;
    u32 src_maxburst;
    u32 dst_maxburst;
};

2.3.3 数据结构关系图

2.4 关键API速查

下表汇总了DMA驱动开发中最常用的API函数及其用途：

2.5 本章小结

本章建立了Linux内核DMA子系统的整体认知：

• 三层架构（硬件驱动层 → dmaengine核心层 → API层）实现了硬件无关性。
• dmaengine框架通过通道、描述符、回调三大抽象，屏蔽了不同DMA控制器的差异。
• 核心数据结构 dma_device、dma_chan、dma_async_tx_descriptor、dma_slave_config 构成了驱动开发的基础。
• 掌握API调用流程（申请→配置→准备→提交→启动→完成→释放）是编写正确驱动的关键。