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S3C2440 DMA驱动程序编写及测试(三十二)

程序员文章站 2024-02-22 10:13:28
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https://www.cnblogs.com/lifexy/p/7880737.html

DMA(Direct Memory Access)

即直接存储访问,DMA传输方式无需CPU直接控制传输,通过硬件为RAM、I/O设备开辟一条直接传输数据的通路,能使CPU的效率大为提高。


学了这么多驱动,不难退出DMA的编写套路:

  • 1)注册DMA中断,分配缓冲区
  • 2)注册字符设备,并提供文件操作集合fops
  •         -> 2.1)file_operations里设置DMA硬件相关操作,来启动DMA

由于我们是用字符设备的测试方式测试的,而本例子只是用两个地址之间的拷贝来演示DMA的作用,所以采用字符设备方式编写

 

1、驱动编写之前,先来讲如何分配释放缓冲区DMA相关寄存器使用DMA中断

1.1 在linux中,分配释放DMA缓冲区,常用以下几个函数

1)dma_alloc_writecombine()函数:

/* 该函数只禁止cache缓冲,保持写缓冲区,也就是对注册的物理区写入数据,也会更新到对应的虚拟缓冲区上 */
void *dma_alloc_writecombine(struct device *dev, size_t size, dma_addr_t *handle, gfp_t gfp)
//分配DMA缓存区
//返回值为:申请到的DMA缓冲区的虚拟地址,若为NULL,表示分配失败,需要释放,避免内存泄漏
//参数如下:
    //*dev:指针,这里填0,表示这个申请的缓冲区里没有内容
    //size:分配的地址大小(字节单位)
    //*handle:申请到的物理起始地址
    //gfp:分配出来的内存参数,标志定义在<linux/gfp.h>,常用标志如下:
        //GFP_ATOMIC 用来从中断处理和进程上下文之外的其他代码中分配内存,从不休眠
        //GFP_KERNEL 内核内存的正常分配,可能睡眠
        //GFP_USER   用来为用户空间页来分配内存;它可能睡眠

2)dma_alloc_coherent()函数:

/*该函数禁止cache缓存以及禁止写入缓冲区,从而使CPU读写的地址和DMA读写的地址内容一致*/
void * dma_alloc_coherent(struct device *dev, size_t size, dma_addr_t *handle, gfp_t gfp);         
//分配DMA缓存区,返回值和参数和上面的函数一直

3)dma_free_writecombine()函数:

dma_free_writecombine(struct device *dev, size_t size, void *cpu_addr, dma_addr_t handle);   //释放DMA缓存,与dma_alloc_writecombine()对应
//size:释放长度
//cpu_addr:虚拟地址,
//handle:物理地址

4)dma_free_coherent()函数:

dma_free_coherent(struct device *dev, size_t size, void *cpu_addr, dma_addr_t handle)    //释放DMA缓存,与dma_alloc_coherent ()对应
//size:释放长度
//cpu_addr:虚拟地址,
//handle:物理地址

(PS:dma_free_writecombine()其实就是dma_free_coherent(),只不过是用了#define重命名而已。)

而我们之前用的内存分配kmalloc()函数,是不能用在DMA上,因为分配出来的内存可能在物理地址上不连续的,因为DMA没有那么智能,不知道一会跑去那里,一会跑去那里。

 

1.2 那么2440开发板如何来启动DMA,先来看一下2440的DMA寄存器

PS:实际这些DMA相关的寄存器,在linux内核中三星公司已封装好了,可以直接调用,不过非常麻烦,还不如直接设置寄存器,可以参考:https://blog.csdn.net/mirkerson/article/details/6632273

1.2.1 2440支持4个通道的DMA控制器

其中4个DMA外设请求源,如下图所示(通过DCONn寄存器的[26:24]来设置)

PS:如果请求源是在系统总线上的,就只需要设置DCONn寄存器的[23]=0即可)

S3C2440 DMA驱动程序编写及测试(三十二)

1.2.2 且每个通道都可以处理以下4种情况

S3C2440 DMA驱动程序编写及测试(三十二)

1)源和目标都在系统总线上(比如:两个物理内存地址)

2)当目标在外设总线上时,源在系统总线上(外设指:串口,定时器,I2C,I2S等)

3)当目标在系统总线上时,源在外设总线上

4)源和目标都在外设总线上

1.2.3 DMA有两种工作模式(通过DCONn寄存器的[31]来设置)

查询模式:

当DMA请求XnXDREQ为低电平时,则DMA会一直传输数据,直到DMA请求拉高,才停止

握手模式:

当DMA请求XnXDREQ有下降沿触发时,则DMA会传输一次数据

S3C2440 DMA驱动程序编写及测试(三十二)

1.2.4 DMA有两种传输模式(通过DCONn寄存器的[28]来设置)

单元传输:

指传输过程中,每执行一次,则读1次,写1次(如上图所示)

突发4传输:

指传输过程中,每执行一次,则读4次,然后写4次(如下图所示)

S3C2440 DMA驱动程序编写及测试(三十二)

1.2.5 2440中的DMA寄存器如下图所示:

S3C2440 DMA驱动程序编写及测试(三十二)

共有4个通道的寄存器,且每个通道的寄存器内容都一致,所以我们以DMA通道0为例:

1)DISR0 初始源寄存器(DMA Initial Source Register)

bit[30:0]:存放DMA源的基地址(物理地址)

2)DISRCC0 初始源控制寄存器(DMA Initial Source Control Register)

bit[1]:源位置选择,            0:源在系统总线上                    1:源在外设总线上

bit[0]:源地址增加的选择,0:传输时,源地址自动增加    1:源地址固定

3)DIDST0 初始目标寄存器(DMA Initial Destination Register)

bit[30:0]:设置DMA目的的基地址(物理地址)

4)DIDSTC0 初始目标控制寄存器(DMA Initial Destination Control Register)

bit[2]:中断时间选择,    0:当DMA传输计数=0,立即发生中断   1:执行完自动加载后再发送中断(也就是计数为0,然后重新加载计数值)

bit[1]:目的位置选择,    0:目的在系统总线上                                 1:目的在外设总线上

bit[0]:目的地址选择,    0:传输时目的地址自动增加                     1:目的地址固定

5)DCON0 控制寄存器(DMA Control Register)

bit[31]:工作模式选择,0:查询模式    1:握手模式(当源出于外设时,尽量选择握手模式)

bit[30]:中断请求(DREQ)/中断回应(DACK)的同步时钟选择,0:PCLK同步   1:HCLK同步

PS:如果有设备在HCLK上,该为应当设为1,比如:(SDRAM)内存数组,反之当这些设备在PCLK上,应当设为0,比如:ADC,IIS,I2C,UART)

bit[29]:DMA传输计数中断使能/禁止    0:禁止中断   1:当传输完成后,产生中断

bit[28]:传输模式选择,                          0:单元传输   1:突发4传输

bit[27]:传输服务模式

0:单服务模式,比如:有2个DMA请求,它们会被顺序执行一次(单元传输/突发4传输)后停止,然后知道下一次DMA请求,再重新开始另一次循环。

1:全服务模式,指DMA若有请求,则会占用DMA总线,一直传输,期间若有其他DMA请求,只有等待传输计数TC为0,才会执行其他DMA请求

bit[26:24]:DMA外设请求源选择(我们是用软件触发,没有用到)

bit[23]:软件/硬件请求源选择,    0:软件请求     1:硬件请求(还需要设置[26:24]来选择外设源)

bit[22]:重新加载开关选项,不需要,为0即可

bit[21:20]:传输数据大小,为了简单,一个字节(8位)即可

bit[19:0]:设置DMA传输的计数TC(BUF_SIZE 2k大小)

6)DSTAT0 状态寄存器(DMA Status Register)

bit[21:20]:DMA状态,00:空闲,01:忙

bit[19:0]:传输计数当前值CURR_TC   为0表示传输结束

7)DCSRC0 当前源寄存器(DMA Current Source Register)

bit[30:0]:存放DMA当前的源基地址

8)DCDST0 当前目标寄存器(Current Destination Register)

bit[30:0]:存放DMA当前的目的基地址

9)DMASKTRIG0 触发屏蔽寄存器

bit[2]:停止STOP   该为写1,立刻停止DMA当前的传输

bit[1]:DMA通道使能    0:关闭DMA的通道0(禁止DMA请求) 1:开启DMA的通道0(开启DMA请求)

bit[0]:软件请求触发  1:表示启动一次软件请求DMA,只有DCONn[23]=0和DMASKTRIGn[1]=1才有效,DMA传输时,该位自动清0

 

1.3 接下来就开始讲linux注册DMA中断

首先,DMA的每个通道只能只有一个源->目的,所以输入命令cat /proc/interrupts,找到DMA3中断未被使用

S3C2440 DMA驱动程序编写及测试(三十二)

S3C2440 DMA驱动程序编写及测试(三十二)

所以在linux中使用:

request_irq(IRQ_DMA3, s3c_dma_irq, NULL, "s3c_dma", 1);// s3c_dma_irq:中断服务函数,这里注册DMA3中断服务函数
//NULL:中断产生类型, 不需要,所以填NULL
//1:表示中断时,传入中断函数的参数,本节不需要所以填1,切记不能填0,否则注册失败

 

2、接下来,我们便来写一个DMA的字符设备驱动

步骤如下:

1)注册DMA中断,分配两个DMA缓冲区(源、目的)

2)注册字符设备,并提供文件操作集合fops

     2.1)通过ioctl的cmd来判断是使用DMA启动两个地址之间的拷贝,还是直接两个地址之间的拷贝

     2.2)若是DMA启动,则设置DMA的相关硬件,并启动DMA传输

2.1 所以,驱动代码如下所示:dma.c

#include <linux/module.h>	
#include <linux/kernel.h>	
#include <linux/fs.h>		
#include <linux/init.h>		
#include <linux/delay.h>
#include <linux/irq.h>
#include <asm/uaccess.h>	
#include <asm/irq.h>
#include <asm/io.h>			
#include <asm/arch/regs-gpio.h>
#include <asm/hardware.h>
#include <linux/poll.h>
#include <linux/dma-mapping.h>

#define MEM_CPY_NO_DMA 0    //复制内存不使用DMA
#define MEM_CPY_DMA    1	//复制内存使用DMA

#define BUF_SIZE (512*1024)	//大小512k

//DMA各通道的起始地址
#define DMA0_BASE_ADDR  0x4B000000
#define DMA1_BASE_ADDR  0x4B000040
#define DMA2_BASE_ADDR  0x4B000080
#define DMA3_BASE_ADDR  0x4B0000C0

//DMA通道寄存器
struct s3c_dma_regs {
	unsigned long disrc;
	unsigned long disrcc;
	unsigned long didst;
	unsigned long didstc;
	unsigned long dcon;
	unsigned long dstat;
	unsigned long dcsrc;
	unsigned long dcdst;
	unsigned long dmasktrig;
};

static int major = 0;

static char *src;		//源
static u32 src_phys;	//源的物理地址

static char *dst;		//目的
static u32 dst_phys;	//目的的物理地址

//为了自动创建设备节点,创建一个类
static struct class *cls;

static volatile struct s3c_dma_regs *dma_regs;//结构体指针,加上volatile,免得被优化

//定义一个等待队列
static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(dma_waitq);
/* 中断时间标志,中断服务程序将它置1,ioctl将它清0 */
static volatile int ev_dma = 0;

static int s3c_dma_ioctl (struct inode *inode, struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
	int i;

	//修改源和目的的地址
	memset(src, 0xAA, BUF_SIZE);
	memset(dst, 0x55, BUF_SIZE);
	
	switch (cmd)
	{
		case MEM_CPY_NO_DMA ://复制内存不使用DMA
		{
			for(i = 0; i < BUF_SIZE; i++)
				dst[i] = src[i];//把源的数据拷到目的
			//拷贝完后,进行比较,等于0表示相等
			if (memcmp(src, dst, BUF_SIZE) == 0)
			{
				printk("MEM_CPY_NO_DMA OK\n");
			}
			else
			{
				printk("MEM_CPY_NO_DMA ERROR\n");
			}
			break;
		}
		case MEM_CPY_DMA ://复制内存使用DMA
		{
			ev_dma = 0;
			
			/* 把源,目的,长度 告诉DMA */
			dma_regs->disrc    = src_phys;        /* 源的物理地址 */
			dma_regs->disrcc   = (0<<1) | (0<<0); /* 源位于AHB总线,源地址递增 */
			dma_regs->didst    = dst_phys;        /* 目的的物理地址 */
			dma_regs->didstc   = (0<<2) | (0<<1) | (0<<0); /* 中断,目的位 于AHB总线,目的地址递增 */
			dma_regs->dcon     = (1<<30) | (1<<29) | (0<<28) | (1<<27) | (0<<23) | (0<<20) | (BUF_SIZE<<0);        /* 同步信号,使能中断,单个传输,软件触发.数据传输大小为1字节, */

			/* 启动DMA */
			dma_regs->dmasktrig = (1<<1) | (1<<0);

			/* 如何知道DMA什么时候完成?dma返回一个中断给cpu(现在执行的程序在cpu里) */
			/* 启动DMA后,如果ev_dma=0,就休眠, */
			wait_event_interruptible(dma_waitq, ev_dma);

			//拷贝完后,进行比较,等于0表示相等
			if (memcmp(src, dst, BUF_SIZE) == 0)
			{
				printk("MEM_CPY_DMA OK\n");
			}
			else
			{
				printk("MEM_CPY_DMA ERROR\n");
			}
		
			break;
		}
			
	}
	return 0;
}

static struct file_operations dma_fops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.ioctl = s3c_dma_ioctl,
};

//中断处理函数,唤醒
static irqreturn_t s3c_dma_irq(int irq, void *devid)
{
	/* 唤醒 */
	ev_dma = 1;
	wake_up_interruptible(&dma_waitq); //唤醒应用程序
	return IRQ_HANDLED;
}

static int s3c_dma_init(void)
{
	//注册一个中断,用来dma完成以后,返回一个中断给cpu
	if (request_irq(IRQ_DMA3, s3c_dma_irq, 0, "s3c_dma", 1))
	{
		printk("can't request_irq for DMA\n");
		return -EBUSY;
	}

	/* 分配SRC源, DST目的对应的缓冲区           ,不能用kmalloc,分配的物理地址是不连续的 */
	src = dma_alloc_writecombine(NULL, BUF_SIZE, &src_phys, GFP_KERNEL);//返回虚拟地址,第三个参数返回物理地址
	if (NULL == src)
	{
		printk("can't alloc buffer for src\n");
		free_irq(IRQ_DMA3, 1);
		return -ENOMEM;
	}

	dst = dma_alloc_writecombine(NULL, BUF_SIZE, &dst_phys, GFP_KERNEL);//返回虚拟地址,第三个参数返回物理地址
	if (NULL == dst)
	{		
		free_irq(IRQ_DMA3, 1);
		//释放掉,免得内存泄漏(内存泄漏,就是内存分配了,没有释放,又没有人用它)
		dma_free_writecombine(NULL, BUF_SIZE, src, src_phys);
		printk("can't alloc buffer for dst\n");
		return -ENOMEM;
	}

	major = register_chrdev(0, "s3c_dma", &dma_fops);

	/* 为了自动创建设备节点,创建类class */
	cls = class_create(THIS_MODULE, "s3c_dma");
	/* 在这个类下面再创建一个设备,mdev就会根据信息来创建/dev/dma设备节点 */
	class_device_create(cls, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "dma");

	dma_regs = ioremap(DMA3_BASE_ADDR, sizeof(struct s3c_dma_regs));
	
	return 0;
}

static void s3c_dma_exit(void)
{
	iounmap(dma_regs);
	class_device_destroy(cls, MKDEV(major, 0));
	class_destroy(cls);
	unregister_chrdev(major, "s3c_dma");
	dma_free_writecombine(NULL, BUF_SIZE, src, src_phys);
	dma_free_writecombine(NULL, BUF_SIZE, dst, dst_phys);
	free_irq(IRQ_DMA3, 1);
}

module_init(s3c_dma_init);
module_exit(s3c_dma_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

2.2 应用测试程序如下所示:

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <string.h>

/* ./dma_test nodma
 * ./dma_test dma
 */
#define MEM_CPY_NO_DMA 0    //复制内存不使用DMA
#define MEM_CPY_DMA    1	//复制内存使用DMA

void print_usage(char *name)
{
	printf("Usage:\n");
	printf("%s <nodma | dma>\n",name);
}

int main(int argc, char **argv)
{	
	int fd;
	
	if (argc != 2)
	{
		print_usage(argv[0]);//打印用法
		return -1;
	}

	fd = open("/dev/dma", O_RDWR);
	if (fd < 0)
	{
		printf("can't open /dev/dma\n");
		return -1;
	}

	if (strcmp(argv[1], "nodma") == 0)
	{
		while (1)
		{
			ioctl(fd, MEM_CPY_NO_DMA);
		}
	}
	else if (strcmp(argv[1], "dma") == 0)
	{
		while (1)
		{
			ioctl(fd, MEM_CPY_DMA);
		}
	}
	else
	{
		print_usage(argv[0]);//打印用法
		return -1;
	}
	return 0;
}

 

3、测试运行

测试时,如果用默认的uboot启动,使用不了dma。要使用上一节的uboot,或其他uboot启动,才能使用dma。

输入./dma_test nodma &,使用CPU正常拷贝,可以发现占用了大部分资源,输入ls命令,要等好久才有反应:

S3C2440 DMA驱动程序编写及测试(三十二)

 

输入./dma_test dma &,使用DMA拷贝,输入ls命令立马有反应,从而释放了CPU的压力:

S3C2440 DMA驱动程序编写及测试(三十二)

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