DMA緩存解耦的一點(diǎn)見解

DMA(英文全稱：Direct Memory Access，中文：直接內(nèi)存訪問)是一種不經(jīng)過(guò)CPU而直接從內(nèi)存存取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換模式。在DMA模式下，CPU只須向DMA控制器下達(dá)指令，讓DMA控制器來(lái)處理數(shù)據(jù)的傳送，數(shù)據(jù)傳送完畢再把信息反饋給CPU，這樣就很大程度上減輕了CPU資源占有率，可以大大節(jié)省系統(tǒng)資源。

DMA的傳輸模型結(jié)構(gòu)見下圖：

Figure 1 DMA傳輸模型

從上圖可知，使用DMA從源地址傳輸數(shù)據(jù)到目的地址，數(shù)據(jù)都必須通過(guò)DMA控制器內(nèi)部的寄存器或FIFO作緩存，而不是在源和目的地之間直接傳輸，這是因?yàn)樵春湍康乃谠O(shè)備的傳輸速度不一樣，接口也不一樣，要適應(yīng)這些情況，數(shù)據(jù)在DMA控制器內(nèi)的緩存是必不可少的，這樣可使在低速設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，高速設(shè)備可被釋放并可被重新利用，這可看作是一種解耦，使低速設(shè)備和高速都能高效工作而不相互影響。

筆者在工作過(guò)程中，曾遇到一個(gè)有關(guān)DMA的issue，具體如下：在某個(gè)應(yīng)用使用DMA進(jìn)行大數(shù)據(jù)量傳輸過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸異常，檢查系統(tǒng)的調(diào)試打印信息，發(fā)現(xiàn)DMA在階段性傳輸結(jié)束(會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的中斷)后，重新啟動(dòng)新階段的DMA傳輸(使用相同的通道)時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)申請(qǐng)的DMA通道還在活動(dòng)狀態(tài)的情況，導(dǎo)致后面的數(shù)據(jù)傳輸無(wú)法正常啟動(dòng)。按照一般的思路，驅(qū)動(dòng)程序設(shè)置好參數(shù)，啟動(dòng)DMA后，就可以去做其他工作，中斷的到來(lái)就意味著該次的DMA傳輸結(jié)束了，但矛盾的是有時(shí)發(fā)現(xiàn)傳輸結(jié)束的DMA通道卻不在空閑狀態(tài)，要說(shuō)明的是，所有的DMA通道資源都是預(yù)先分配好的，不同驅(qū)動(dòng)程序使用各自不同的通道，不會(huì)互相干擾。開始認(rèn)為是驅(qū)動(dòng)程序沒有設(shè)計(jì)好，出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致函數(shù)重入，但閱讀整個(gè)驅(qū)動(dòng)源碼后，沒有發(fā)現(xiàn)這方面的問題。

重新分析整個(gè)DMA傳輸過(guò)程：數(shù)據(jù)從源設(shè)備到目標(biāo)設(shè)備，中間是要經(jīng)過(guò)DMA controller Data transfer register或FIFO這個(gè)中轉(zhuǎn)站暫存，而中斷產(chǎn)生的條件是只要源或目的地址更新到與通知地址相同，這樣當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，最后的數(shù)據(jù)可能還在中轉(zhuǎn)站內(nèi)，傳輸還在進(jìn)行當(dāng)中，由于最后的數(shù)據(jù)傳輸什么時(shí)候能真正結(jié)束，取決于目標(biāo)器件以及當(dāng)時(shí)的總線仲裁等情況，時(shí)間比較隨機(jī)，此時(shí)中斷服務(wù)函數(shù)重新啟動(dòng)新階段傳輸前檢查該通道時(shí)就有可能查詢到DMA通道還處于忙狀態(tài)，這樣就會(huì)導(dǎo)致重新啟動(dòng)DMA通道失敗而無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

初步認(rèn)為issue的產(chǎn)生是由于真正的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束滯后于DMA中斷的產(chǎn)生(這個(gè)應(yīng)該是硬件設(shè)計(jì)的一個(gè)bug)，因此解決的方法就是加入等待，這可以通過(guò)多次重復(fù)查詢來(lái)實(shí)現(xiàn)。按照這個(gè)思路，修改驅(qū)動(dòng)程序，重新進(jìn)行測(cè)試，問題沒有復(fù)現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸正常，這說(shuō)明以上的分析推斷是正確的。

通過(guò)上面的例子可以看到，充分理解DMA設(shè)計(jì)的一些硬件基本機(jī)理，對(duì)我們?cè)诠ぷ鳟?dāng)中解決一些實(shí)際問題還是很有幫助的。