4. Linux DMA子系统概述

Linux内核提供了一套统一的DMA引擎框架——dmaengine，用于抽象不同硬件平台的DMA控制器差异，为驱动开发者提供标准化的API接口。本章深入剖析dmaengine的分层架构、核心数据结构及其协作关系。

4.1 Linux内核DMA引擎框架

dmaengine框架位于内核源码 drivers/dma/ 目录下，采用三层次架构：

• 硬件适配层：各厂商DMA控制器驱动（如Intel IDMA、TI EDMA、PL330等）实现底层寄存器操作。
• 核心管理层：提供通道分配、描述符管理、传输调度等通用逻辑。
• 用户接口层：向其他内核子系统（如音频、网络、存储）暴露统一的dmaengine API。

4.2 dmaengine API分层结构

dmaengine API按照使用场景分为设备注册层、通道管理层和传输控制层三层：

4.3 核心数据结构

dmaengine框架围绕三个核心数据结构构建：dma_device、dma_chan 和 dma_async_tx_descriptor。它们分别代表DMA控制器、DMA通道和一次传输事务。

4.3.1 dma_device — DMA控制器抽象

dma_device 描述一个DMA控制器的能力和操作函数集，是驱动注册时的核心对象：

struct dma_device {
    unsigned int    chancnt;          /* 通道数量 */
    unsigned int    copy_align;       /* 内存拷贝对齐要求 */
    enum dma_device_state  state;     /* 设备状态 */

    /* 能力位图 */
    u32             src_addr_widths;  /* 支持的源地址宽度 */
    u32             dst_addr_widths;  /* 支持的目的地址宽度 */
    u32             directions;       /* 支持的传输方向 */
    u32             max_burst;        /* 最大突发传输长度 */

    /* 操作函数集 */
    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_dma_memcpy)(
        struct dma_chan *chan, dma_addr_t dst, dma_addr_t src,
        size_t len, unsigned long flags);
    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);
    int (*device_issue_pending)(struct dma_chan *chan);
    int (*device_tx_status)(struct dma_chan *chan, dma_cookie_t cookie,
                            struct dma_tx_state *txstate);
};

4.3.2 dma_chan — DMA通道抽象

dma_chan 代表一个已分配的DMA通道，是驱动与DMA引擎交互的句柄：

struct dma_chan {
    struct dma_device *device;        /* 所属DMA设备 */
    dma_cookie_t       cookie;        /* 当前传输cookie */
    dma_cookie_t       completed_cookie; /* 已完成传输cookie */

    /* 通道属性 */
    enum dma_transfer_direction  direction;
    dma_addr_t         slave_addr;    /* 外设地址 */
    enum dma_slave_buswidth  addr_widths;
    u32                burst_size;

    /* 回调机制 */
    dma_async_tx_callback  callback;
    void                *callback_param;

    /* 内部状态 */
    struct list_head    free_nodes;   /* 空闲描述符链表 */
    struct list_head    submitted;    /* 已提交队列 */
    struct list_head    issued;       /* 已下发队列 */
    struct list_head    completed;    /* 已完成队列 */
};

4.3.3 dma_async_tx_descriptor — 传输描述符

每次DMA传输操作被封装为一个 dma_async_tx_descriptor，它描述了传输的所有参数和状态：

struct dma_async_tx_descriptor {
    dma_cookie_t        cookie;       /* 传输标识符 */
    enum dma_ctrl_flags flags;        /* 控制标志 */
    dma_addr_t          src;          /* 源地址 */
    dma_addr_t          dst;          /* 目的地址 */
    size_t              len;          /* 传输长度 */

    /* 链表支持（用于分散收集） */
    struct list_head    tx_list;      /* 描述符链表节点 */
    unsigned int        sg_count;     /* 散列表项数量 */

    /* 回调 */
    dma_async_tx_callback  callback;  /* 传输完成回调 */
    void                *callback_param;

    /* 依赖管理 */
    struct dma_async_tx_descriptor *next;
    struct dma_async_tx_descriptor *prev;

    /* 硬件操作 */
    enum dma_status (*tx_status)(struct dma_chan *chan,
                                 dma_cookie_t cookie,
                                 struct dma_tx_state *txstate);
    void (*tx_submit)(struct dma_async_tx_descriptor *tx);
};

4.4 数据结构协作流程

三个核心数据结构在DMA传输生命周期中的协作关系如下：

1. 注册阶段：DMA控制器驱动填充 dma_device 结构，调用 dma_async_device_register() 注册到内核。
2. 通道申请：客户端驱动通过 dma_request_channel() 获取一个 dma_chan 实例，该实例指向所属的 dma_device。
3. 描述符创建：调用 dmaengine_prep_slave_sg() 或 dmaengine_prep_dma_memcpy() 创建 dma_async_tx_descriptor，填充源地址、目的地址、长度等参数。
4. 提交与执行：dmaengine_submit() 将描述符加入通道的提交队列，dma_async_issue_pending() 触发硬件开始传输。
5. 完成通知：硬件传输完成后，通过描述符中注册的 callback 函数通知上层驱动。

4.5 本章小结