驱动开发-DMA的开发原理讲解

[e-mail]DMA即DirectMemoryaccess无需计算机的CPU的干预就可以在内存和外设之间传输数据通常都有DMA控制器来进行DMA操作，DMA控制器可能是主板上的，也有可能是外设特有的。为什么需要DMA？传输模型Windows中的DMA传输基于这个模型适配器对象（adapter）Windows2000内核使用一个称为适配器对象的数据结构来描述设备上的DMA特征，并用它来控制访问潜在的共享资源，如系统DMA通道和映射寄存器通常在StartDevice函数中调用IoGetDmaAdapter获得适配器对象适配器对象中有一个指针，指向一个DmaOperations的结构，该结构包含了所有需要的DMA相关的其它函数，这些函数如下表DmaOperationsFunctionPointerDescriptionPutDmaAdapterDestroysadapterobjectAllocateCommonBufferAllocatesacommonbufferFreeCommonBufferReleasesacommonbufferAllocateAdapterChannelReservesadapterandmapregistersFlushAdapterBuffersFlushesintermediatedatabuffersaftertransferFreeAdapterChannelReleasesadapterobjectandmapregistersFreeMapRegistersReleasesmapregistersonlyMapTransferProgramsonestageofatransferGetDmaAlignmentGetsaddressalignmentrequiredforadapterReadDmaCounterDeterminesresidualcountGetScatterGatherListReservesadapterandconstructsscatter/gatherlistPutScatterGatherListReleasesscatter/gatherlist传输策略选择1。如果设备有总线主控能力，那么它就有访问主存的必要硬件部件，因此只需要告诉它几个基本事实，如从哪开始，需要传输多少单位的数据，是输入操作还是输出操作，等等。可以向硬件设计者咨询或者固件程序员咨询以得到细节部分，否则只能参考许多硬件级的说明文档。传输策略选择2。一个有分散/聚集（scatter/gather）能力的设备可以在自身与不连续的物理内存区之间传输大块数据。设备的分散/聚集能力对软件十分有利，它可以避免对具有连续页帧的大块的内存的需求。页可以被简单地锁定在所在的物理内存，只要把内存地址告诉设备就可以进行。传输策略选择3。如果设备不是总线主控设备，那么需要使用计算机主板上的系统DMA控制器。这种形式的DMA传输被称为从属DMA（slaveDMA）。与ISA总线连接的系统DMA控制器对所能访问的物理内存和一次传输的数据量会有些限制。EISA总线的DMA控制器去掉了这些限制。在Windows2000中，不必知道硬件具体插入到哪种类型的总线，因为系统自动参考这些不同的限定。传输策略选择4。通常，DMA操作将包括编程硬件映射寄存器或操作前后的数据复制。如果设备需要连续地读写数据，我们不希望在每次I/O请求中都做这两步，这将大大地降低处理速度，在某些情况下也是不能接受的。因此，应该分配一个公用缓冲区（commonbuffer），设备和驱动程序可以在任何时间同时访问这个缓冲区。说明在涉及DMA传输的过程中策略的选择是第一步也是最重要的一步。不仅需要参考硬件，还要参考可能的软件需求（主控，从属，包，通用缓冲区）尽管这四种因素的相互影响会产生许多种不同的结果，但执行的步骤中有许多共同的特征。如下图显示了一次传输过程：执行DMA传输基于包(packet-based)的DMA传输。在这种方式中，将使用IRP携带的数据缓冲区来传输一定量的数据。为了简单，让我们假设面对当前最普通的情况：一个基于PCI的总线主控设备并且没有分散/聚集能力。为什么简单？下面按照程序编写的通常步骤来详细说明DMA的过程缓冲方式当创建设备对象时，通常指定使用Direct缓冲方式，即设置DO_DIRECT_IO标志。或者在定义CTL_CODE时指定directinput或者directoutput方式。因为调用的MapTransfer函数需要一个MDL作为参数，这种方式会在每一个IRP的MdlAddress保存描述用户缓冲区的MDL创建和销毁适配器对象在处理startdevice的pnp请求时，我们除了要取得IO，内存，中断资源外，还要创建一个适配器对象（adapterobiect）。在处理stopdevice请求时，除了释放映射的IO，内存资源，断开中断的连接外，还要销毁适配器对象。例如：DMA.doc和其它资源区别前面讲过的IO，内存，和中断资源，我们都回在一个CmResourceTypeXxx类型的case子句中获得，这里不需要CmResourceTypeDma类型的case子句，因为设备是总线主控方式，硬件本身包含有执行DMA传输所必须的所有电路逻辑，所以系统没必要赋予设备DMA资源。获取DMA通道为了初始化一个I/O操作，StartIo例程必须首先调用适配器对象的AllocateAdapterChannel例程以获取适配器对象。该函数的一个参数是AdapterControl例程的地址，I/O管理器将在获取操作完成后调用这个例程。AllocateAdapterChannel函数的准备和调用过程：DMA.docAllocateAdapterChannel何时完成AllocateAdapterChannel做什么？等待DMA控制器，和映射寄存器可用主控，从属，支持映射寄否？当DMA控制器，和映射寄存器都可用时，AllocateAdapterChannel调用AdapterControl例程调用AdapterControlAllocateAdapterChannel最终将调用驱动程序提供的AdapterControl例程(在DISPATCH_LEVEL，就象StartIo例程一样)。AdapterControl例程的两个任务：AdapterControl例程的两个任务第一，应该调用适配器对象的MapTransfer例程以便为I/O操作的第一阶段准备映射寄存器和其它系统资源。如果是总线主控设备，MapTransfer将返回一个代表传输第一阶段开始点的逻辑地址。这个逻辑地址可能会与CPU的物理内存地址相同，但也可能会不同。所需要知道的就是该地址就是编程设备硬件的正确地址。第二个任务是执行与“通知设备这个物理地址”操作中涉及的任何设备相关的操作步骤，然后开始操作设备硬件：DMA.docDPC中断通常都发生在传输启动后的很短一段时间后，并且Isr只做很少的事情，比如判断中断类型清除中断状态位之后，Isr通常都请求一个DPC来处理传输第一阶段的完成，并开始下一个操作。DMA.doc使用分散集中列表进行传输如果硬件支持分散/聚集能力，那么系统可以更容易地处理设备的DMA传输。分散/聚集能力允许设备传输所涉及的页在物理内存中不连续。这种设备的StartDevice例程在创建适配器对象上使用与前面讨论的同样的方式，除了ScatterGather标志应该设为TRUE。传统方法在安排一个涉及分散/聚集功能的DMA传输时，几乎等同于前面段“执行DMA传输”中的基于包的例子。唯一不同之处是它需要为传输的每个阶段多次调用MapTransfer。每次调用后都会得到分散/聚集列表中的一个包含物理地址和长度的数组元素。当循环完成时，可以使用设备专用的方法把分散/聚集列表发送到设备，然后开始传输。DMA.doc使用GetScatterGatherList这种方法不用手动构建Scatter/gather列表DMA.doc在决定使用GetScatterGatherList前，以下的前提需要满足：程序运行在2000及以后系统，98/ME不支持这个函数如果不确定或者为了程序的兼容性，应该使用传统的循环获取Scatter/gather列表使用系统DMA控制器即slaveDMA所有slave设备必须共享有限的DMA通道数量。AllocateAdapterChannel在这种共享情形中具有真正意义，因为一次只能有一个设备可以使用特定的通道可以在PnP管理器发送的I/O资源列表中找到一个CmResourceTypeDma资源。大部分方面和总线Master设备类似，一些差别使用公用缓冲区通常应该在StartDevice中，在创建适配器对象后分配公用缓冲区：DMA.doc使用公用缓冲区的Slave模式DMA传输必须为接收数据的虚拟地址创建一个MDL。MDL的实际目的是在最后调用MapTransfer中占用一个参数，这个MDL指名不需要任何数据复制。通常应该在StartDevice函数中，紧接着分配公用缓冲区之后创建该MDL为了执行一个输出操作，首先应通过某些手段(如一个明确的内存复制)使公用缓冲区中包含有要发往到设备的数据在输入操作的结尾，应该把数据从公用缓冲区复制到其它某个地方使用公用缓冲区的Slave模式DMA传输其它部分和进行基于包的DMA传输类似：调用AllocateAdapterChannel，该函数调用驱动程序提供的适配器控制例程，这个例程又调用KeFlushIoBuffers(如果分配了一个可被高速缓冲的缓冲区)，最后调用MapTransfer。DPC例程将调用FlushAdapterBuffers和FreeAdapterChannel函数。唯一要注意的是应该指定公用缓冲区的MDL来代替读写IRP携带的MDL使用公用缓冲区的master模式DMA传输如果设备是总线主控模式，那么在分配公用缓冲区后就没有必要调用AllocateAdapterChannel、MapTransfer、FreeMapRegisters函数。因为AllocateCommonBuffer也能保留必要的映射寄存器。每个总线主控设备都有一个适配器对象，该对象不与其它设备共享，因此不必等待。由于拥有可以在任何时间都能访问缓冲区的虚拟地址，又由于设备的总线主控能力允许使用物理地址(由AllocateCommonBuffer返回)访问该缓冲区，所以没有额外的工作需要做。这是所有形式的DMA传输中最简单的。使用公用缓冲区的注意事项在运行系统中，物理上连续的内存是十分稀有的，有时根本得不到这样的内存，除非在系统启动的早期请求这样的内存。内存管理器为了满足请求会对内存页进行重排列，但它的尝试十分有限，并且这个过程会推迟AllocateCommonBuffer的返回。有时尝试会失败，所以必须能够处理这种失败情况。公用缓冲区不仅与稀有的物理内存页相关，而且还与其它设备争用映射寄存器。释放公用缓冲区在处理停止设备时需要释放公用缓冲区(*pdx-AdapterObject-DmaOperations-FreeCommonBuffer)(pdx-AdapterObject,length,pdx-paCommonBuffer,pdx-vaCommonBuffer,FALSE);