4. DMA 传输模式：单次、块传输与描述符链对比

DMA 控制器支持多种传输模式，以适应不同外设和系统负载场景。理解单次传输（Single Transfer）、块传输（Block Transfer）和描述符链传输（Descriptor Chain）的差异，是编写高效 DMA 驱动的核心基础。三种模式在传输粒度、CPU 干预频率、内存布局和适用场景上存在本质区别。

4.1 三种传输模式核心概念

4.2 单次传输模式详解

单次传输是最基础的 DMA 模式。每次 DMA 请求只传输一个数据单元（通常为 1 字节、2 字节或 4 字节），然后释放总线。下一次传输需要重新发起 DMA 请求。

• 优点： 实现简单，硬件资源占用少，适合数据量小、速率低的外设。
• 缺点： 总线利用率极低，每次传输都需要重新仲裁，CPU 中断频率高。
• 典型场景： UART 接收/发送、低速 SPI 数据采集、GPIO 状态读取。

// 单次传输配置示例（伪代码）
struct dma_slave_config config = {
    .direction = DMA_MEM_TO_DEV,
    .src_addr = mem_buf_phys,
    .dst_addr = uart_tx_reg,
    .src_addr_width = DMA_SLAVE_BUSWIDTH_1_BYTE,
    .dst_addr_width = DMA_SLAVE_BUSWIDTH_1_BYTE,
    .src_maxburst = 1,   // 单次传输
    .dst_maxburst = 1,
};
dmaengine_slave_config(chan, &config);

4.3 块传输模式详解

块传输模式允许 DMA 控制器在一次总线占用中连续传输多个数据单元（一个块）。块大小由硬件寄存器配置，通常为 2 的幂次（如 16、64、256、512 字节）。

• 优点： 总线利用率显著提升，中断频率降低，适合中等速率外设。
• 缺点： 块内地址必须连续；块间切换仍需 CPU 或硬件自动重载。
• 典型场景： MMC/SD 卡读写、NAND Flash 页传输、I2S 音频数据流。

// 块传输配置示例（伪代码）
struct dma_slave_config config = {
    .direction = DMA_DEV_TO_MEM,
    .src_addr = mmc_fifo_phys,
    .dst_addr = mem_buf_phys,
    .src_addr_width = DMA_SLAVE_BUSWIDTH_4_BYTES,
    .dst_addr_width = DMA_SLAVE_BUSWIDTH_4_BYTES,
    .src_maxburst = 128,  // 每次传输 128 个 4 字节 = 512 字节块
    .dst_maxburst = 128,
};
dmaengine_slave_config(chan, &config);

4.4 描述符链传输模式详解

描述符链（也称为 scatter-gather 或链表模式）是最高效的 DMA 传输模式。每个描述符（Descriptor）包含源地址、目标地址、传输长度、控制标志以及指向下一个描述符的指针。DMA 控制器自动遍历链表，完成所有描述符定义的传输任务，仅在整条链完成后才触发中断。

• 优点： CPU 干预最少，支持任意不连续内存布局，适合大数据量、高吞吐场景。
• 缺点： 硬件实现复杂，描述符表需要维护在内存中，驱动设计难度较高。
• 典型场景： 千兆以太网（SG DMA）、视频帧缓冲采集、高速数据采集卡。

// 描述符链传输配置示例（Linux dmaengine API）
struct scatterlist sg[3];
struct dma_async_tx_descriptor *tx;

// 初始化三个不连续的内存片段
sg_init_table(sg, 3);
sg_dma_address(&sg[0]) = buf1_phys; sg_dma_len(&sg[0]) = 1024;
sg_dma_address(&sg[1]) = buf2_phys; sg_dma_len(&sg[1]) = 2048;
sg_dma_address(&sg[2]) = buf3_phys; sg_dma_len(&sg[2]) = 512;

// 准备描述符链传输
tx = dmaengine_prep_slave_sg(chan, sg, 3, DMA_MEM_TO_DEV,
                              DMA_PREP_INTERRUPT | DMA_CTRL_ACK);
tx->callback = my_dma_callback;
dmaengine_submit(tx);
dma_async_issue_pending(chan);

4.5 三种模式对比 SVG 架构图

下图从硬件执行流程角度对比三种传输模式，展示 CPU 中断频率和总线占用模式的差异。

4.6 传输模式选择决策树

在实际驱动开发中，选择哪种传输模式取决于以下关键因素：

1. 数据速率： 低于 1 Mbps 可考虑单次传输；1-100 Mbps 适合块传输；高于 100 Mbps 必须使用描述符链。
2. 内存连续性： 如果源/目标缓冲区物理连续，三种模式均可；如果不连续，只能选择描述符链。
3. 中断延迟容忍度： 实时系统可能偏好块传输以控制最大延迟；吞吐优先系统选择描述符链。
4. 硬件能力： 部分低端 DMA 控制器不支持描述符链，需查阅芯片手册确认。

4.7 描述符链传输的驱动实现要点

描述符链是三种模式中最复杂但也是性能最优的。以下是驱动开发中的关键实现步骤：

4.8 三种模式中断频率对比 SVG 图

下图以时间轴方式展示三种模式在传输相同数据量（如 1MB）时的中断触发点分布。

4.9 实际工程中的混合使用策略

在复杂系统中，单一传输模式往往无法满足所有需求。常见的混合策略包括：

• 启动阶段使用单次传输： 设备初始化时，使用单次传输读取设备状态寄存器，避免描述符链的初始化开销。
• 正常运行时切换为描述符链： 设备就绪后，动态切换到描述符链模式以获取高吞吐。
• 错误恢复使用块传输： 当描述符链传输出错时，回退到块传输模式进行数据重传，简化错误处理逻辑。