3. DMA 传输类型：内存到内存 (M2M)、内存到外设 (M2P)、外设到内存 (P2M)、外设到外设 (P2P)

DMA 控制器作为系统总线上的主设备，其核心价值在于无需 CPU 干预即可完成数据搬运。根据数据源（Source）与目的地（Destination）的物理位置，DMA 传输被划分为四种基本类型。理解这四种类型的硬件路径、触发方式及适用场景，是进行设备树配置和驱动热路径优化的前提。

核心概念： 传输类型的本质差异在于 源地址 与 目的地址 是否属于同一内存域，以及是否需要硬件事件（如 FIFO 半满、定时器溢出）来触发传输。

3.1 四种传输类型对比总览

下表从硬件路径、触发源、典型应用及设备树关键属性四个维度，对四种传输类型进行横向对比：

传输类型 源地址域 目的地址域 触发源 典型应用 设备树关键属性
M2M DDR / SRAM DDR / SRAM 软件请求（立即触发） 内存拷贝、帧缓冲搬运、CRC 校验 dma-no-event 或 dma-channel 无外设句柄
M2P DDR / SRAM 外设 FIFO / 寄存器 外设请求（DMA_REQ 信号） LCD 显示、音频播放、SPI 发送 dma-requests 指定外设请求线
P2M 外设 FIFO / 寄存器 DDR / SRAM 外设请求（DMA_REQ 信号） 摄像头采集、音频录音、UART 接收 dma-requests 指定外设请求线
P2P 外设 A FIFO 外设 B FIFO 外设 A 或 B 请求 数字信号处理、高速数据重定向 dma-crossbar 或专用通道映射
实战提示： 在嵌入式 Linux 中，M2M 传输通常使用 dma_alloc_coherent 分配缓冲区，而 M2P/P2M 必须使用 dma_map_single 或 dma_map_sg 进行缓存一致性维护。P2P 传输在主流 SoC（如 i.MX8、TI AM65x）中支持有限，通常需要硬件交叉开关（Crossbar）支持。

3.2 内存到内存 (M2M) —— 纯软件触发的数据搬运

M2M 是最简单的 DMA 传输模式，源和目的都在系统内存（DDR 或片内 SRAM）中。传输由 CPU 通过写 DMA 控制器的软件触发寄存器启动，无需外设硬件事件参与。

3.2.1 硬件路径与触发流程

  1. CPU 配置： 设置源地址、目的地址、传输宽度（8/16/32 位）、突发长度（Burst Length）。
  2. 软件触发： 写 DMA 通道的使能位或触发寄存器。
  3. 总线仲裁： DMA 控制器向系统总线发出读请求，从源地址读取数据。
  4. 数据写入： DMA 控制器将读取的数据直接写入目的地址。
  5. 传输完成： 当传输计数归零，DMA 控制器产生中断或轮询标志位。
性能陷阱： M2M 传输会占用系统总线带宽。如果 CPU 同时访问 DDR，可能造成总线竞争。在实时性要求高的场景（如音频处理），建议使用专用 SRAM 或设置 DMA 通道优先级。

3.2.2 设备树配置示例

// 设备树中描述一个支持 M2M 的 DMA 通道
dma_controller: dma-controller@1c00000 {
    compatible = "vendor,axi-dma-1.0";
    reg = <0x1c00000 0x1000>;
    #dma-cells = <2>;  // 第一个 cell: 通道号, 第二个 cell: 传输类型
    dma-channels = <8>;
};

// 使用 M2M 传输的虚拟设备
m2m_device {
    compatible = "vendor,m2m-accel";
    dmas = <&dma_controller 0 0>;  // 通道 0, 类型 0 (M2M)
    dma-names = "m2m";
};

3.3 内存到外设 (M2P) —— 从内存向外设“推”数据

M2P 传输将内存中的数据搬运到外设的 FIFO 或寄存器。传输由外设发出的 DMA 请求信号（DMA_REQ）触发，典型场景是 LCD 控制器从帧缓冲取数据、音频 I2S 接口从内存取 PCM 数据。

3.3.1 关键硬件特性

  • 请求信号： 外设的 FIFO 空/半空状态会拉高 DMA_REQ 线，DMA 控制器检测到后启动一次突发传输。
  • 流控制： 外设作为流控方（Flow Controller），决定何时需要数据。
  • 地址递增： 源地址（内存）通常递增，目的地址（外设 FIFO）固定不变。

3.3.2 设备树配置示例

// SPI 控制器作为 M2P 传输的外设端
spi_controller: spi@1d00000 {
    compatible = "vendor,spi-v2";
    reg = <0x1d00000 0x100>;
    dmas = <&dma_controller 1 1>;  // 通道 1, 类型 1 (M2P)
    dma-names = "tx";
    dma-requests = <16>;  // 外设请求线编号
};

3.4 外设到内存 (P2M) —— 从外设向内存“拉”数据

P2M 是 M2P 的逆过程，数据从外设 FIFO 流向内存。外设产生数据（如 ADC 采样、摄像头像素）时，通过 DMA_REQ 信号通知 DMA 控制器读取。

3.4.1 与 M2P 的对称性

特性 M2P P2M
源地址 内存（递增） 外设 FIFO（固定）
目的地址 外设 FIFO（固定） 内存（递增）
触发条件 外设 FIFO 空 外设 FIFO 满
缓存一致性 写外设前需 clean 缓存 读外设后需 invalidate 缓存

3.5 外设到外设 (P2P) —— 零内存中转的数据直通

P2P 传输在两个外设之间直接搬运数据，不经过系统内存。这种模式延迟最低，但硬件支持最复杂，通常需要 DMA 控制器具备多通道映射能力和交叉开关（Crossbar）。

3.5.1 典型应用场景

  • 数字麦克风到 I2S 输出： PDM 数据直接转换为 PCM 输出。
  • 硬件加密引擎到网络控制器： 加密后的数据直接送入 TX FIFO。
  • 高速数据采集到 DSP 加速器： 避免内存带宽瓶颈。
驱动开发注意： P2P 传输在 Linux DMA Engine 框架中支持有限。主流实现依赖 dma_request_chan 获取两个通道句柄，然后通过 dmaengine_prep_dma_cyclic 或 dmaengine_prep_slave_sg 配置。设备树中通常需要 dma-crossbar 节点描述外设之间的物理连接。

3.6 四种传输类型的硬件架构对比图

下图展示了四种 DMA 传输类型在 SoC 内部的数据流路径：

DMA 四种传输类型硬件架构对比 DMA 四种传输类型数据流路径 系统内存 (DDR/SRAM) 源/目的地址域 DMA 控制器 通道调度 / 地址生成 外设 A (FIFO) SPI / I2S / UART 外设 B (FIFO) ADC / 加密引擎 M2M M2P P2M P2P 图例说明 M2M: 双向箭头，数据在内存与 DMA 之间往返 M2P: 内存 → DMA → 外设 A，单向推送 P2M: 外设 A → DMA → 内存，单向拉取 P2P: 外设 A → DMA → 外设 B，不经过内存

3.7 驱动热路径中的传输类型选择

在性能调优视角下，传输类型的选择直接影响延迟和吞吐量：

  • M2M 适合批量处理： 利用 DMA 的突发传输特性，一次搬运大量数据（如 4KB 以上），减少 CPU 拷贝开销。
  • M2P/P2M 适合流式处理： 使用循环缓冲区（Cyclic Buffer）模式，配合双缓冲（Double Buffering）消除乒乓延迟。
  • P2P 适合低延迟链路： 延迟可低至几个总线时钟周期，但需要硬件支持且驱动复杂度高。
热路径优化原则： 在中断处理函数或高优先级任务中，优先使用 P2M 或 M2P 的 dma_async_issue_pending 异步提交，避免同步等待。对于 M2M，使用 dmaengine_prep_dma_memcpy 并设置 DMA_PREP_INTERRUPT 标志，在回调中处理后续数据。
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