DMA緩存解耦的一點見解

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控制器下達指令，讓DMA控制器來處理數(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，這是因為源和目的所在設備的傳輸速度不一樣，接口也不一樣，要適應這些情況，數(shù)據(jù)在DMA控制器內(nèi)的緩存是必不可少的，這樣可使在低速設備傳輸數(shù)據(jù)時，高速設備可被釋放并可被重新利用，這可看作是一種解耦，使低速設備和高速都能高效工作而不相互影響。

筆者在工作過程中，曾遇到一個有關DMA的issue，具體如下：在某個應用使用DMA進行大數(shù)據(jù)量傳輸過程中，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(會產(chǎn)生相應的中斷)后，重新啟動新階段的DMA傳輸(使用相同的通道)時，有時會出現(xiàn)申請的DMA通道還在活動狀態(tài)的情況，導致后面的數(shù)據(jù)傳輸無法正常啟動。按照一般的思路，驅(qū)動程序設置好參數(shù)，啟動DMA后，就可以去做其他工作，中斷的到來就意味著該次的DMA傳輸結(jié)束了，但矛盾的是有時發(fā)現(xiàn)傳輸結(jié)束的DMA通道卻不在空閑狀態(tài)，要說明的是，所有的DMA通道資源都是預先分配好的，不同驅(qū)動程序使用各自不同的通道，不會互相干擾。開始認為是驅(qū)動程序沒有設計好，出現(xiàn)競爭導致函數(shù)重入，但閱讀整個驅(qū)動源碼后，沒有發(fā)現(xiàn)這方面的問題。

重新分析整個DMA傳輸過程：數(shù)據(jù)從源設備到目標設備，中間是要經(jīng)過DMA controller Data transfer register或FIFO這個中轉(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，這樣當中斷發(fā)生時，最后的數(shù)據(jù)可能還在中轉(zhuǎn)站內(nèi)，傳輸還在進行當中，由于最后的數(shù)據(jù)傳輸什么時候能真正結(jié)束，取決于目標器件以及當時的總線仲裁等情況，時間比較隨機，此時中斷服務函數(shù)重新啟動新階段傳輸前檢查該通道時就有可能查詢到DMA通道還處于忙狀態(tài)，這樣就會導致重新啟動DMA通道失敗而無法繼續(xù)進行數(shù)據(jù)傳輸。

初步認為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(這個應該是硬件設計的一個bug)，因此解決的方法就是加入等待，這可以通過多次重復查詢來實現(xiàn)。按照這個思路，修改驅(qū)動程序，重新進行測試，問題沒有復現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸正常，這說明以上的分析推斷是正確的。

通過上面的例子可以看到，充分理解DMA設計的一些硬件基本機理，對我們在工作當中解決一些實際問題還是很有幫助的。