摘要：本文主要从内核实现的角度分析了Linux 2.4.0内核对ISA总线接口的外设进行DMA传输的实现。本文是为那些想要了解Linux I/O子系统的读者和Linux驱动程序开发人员而写的。
关键词：Linux、I/O、ISA总线、DMA、设备驱动程序
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Linux对ISA总线外设DMA的实现
DMA是一种无需CPU的参与就可以让外设与系统RAM之间进行双向（to device 或 from device）数据传输的硬件机制。使用DMA可以使系统CPU从实际的I/O数据传输过程中摆脱出来，从而大大提高系统的吞吐率（throughput）。
由于DMA是一种硬件机制，因此它通常与硬件体系结构是相关的，尤其是依赖于外设的总线技术。比如：ISA卡的DMA机制就与PCI卡的DMA机制有区别。本站主要讨论ISA总线的DMA技术。
4．1 DMA概述
DMA是外设与主存之间的一种数据传输机制。一般来说，外设与主存之间存在两种数据传输方法：（1）Pragrammed I/O（PIO）方法，也即由CPU通过内存读写指令或I/O指令来持续地读写外设的内存单元（8位、16位或32位），直到整个数据传输过程完成。（2）DMA，即由DMA控制器（DMA Controller，简称DMAC）来完成整个数据传输过程。在此期间，CPU可以并发地执行其他任务，当DMA结束后，DMAC通过中断通知CPU数据传输已经结束，然后由CPU执行相应的ISR进行后处理。
DMA技术产生时正是ISA总线在PC中流行的时侯。因此，ISA卡的DMA数据传输是通过ISA总线控制芯片组中的两个级联8237 DMAC来实现的。这种DMA机制也称为“标准DMA”（standard DMA）。标准DMA有时也称为“第三方DMA”（third-party DMA），这是因为：系统DMAC完成实际的传输过程，所以它相对于传输过程的“前两方”（传输的发送者和接收者）来说是“第三方”。
标准DMA技术主要有两个缺点：（1）8237 DMAC的数据传输速度太慢，不能与更高速的总线（如PCI）配合使用。（2）两个8237 DMAC一起只提供了8个DMA通道，这也成为了限制系统I/O吞吐率提升的瓶颈。
鉴于上述两个原因，PCI总线体系结构设计一种成为“第一方DMA”（first-party DMA）的DMA机制，也称为“Bus Mastering”（总线主控）。在这种情况下，进行传输的PCI卡必须取得系统总线的主控权后才能进行数据传输。实际的传输也不借助慢速的ISA DMAC来进行，而是由内嵌在PCI卡中的DMA电路（比传统的ISA DMAC要快）来完成。Bus Mastering方式的DMA可以让PCI外设得到它们想要的传输带宽，因此它比标准DMA功能满足现代高性能外设的要求。
随着计算机外设技术的不断发展，现代能提供更快传输速率的Ultra DMA（UDMA）也已经被广泛使用了。本为随后的篇幅只讨论ISA总线的标准DMA技术在Linux中的实现。记住：ISA卡几乎不使用Bus Mastering模式的DMA；而PCI卡只使用Bus Mastering模式的DMA，它从不使用标准DMA。
4．2 Intel 8237 DMAC
最初的IBM PC／XT中只有一个8237 DMAC，它提供了4个8位的DMA通道（DMA channel 0－3）。从IBM AT开始，又增加了一个8237 DMAC（提供4个16位的DMA通道，DMA channel 4－7）。两个8237 DMAC一起为系统提供8个DMA通道。与中断控制器8259的级联方式相反，第一个DMAC被级联到第二个DMAC上，通道4被用于DMAC级联，因此它对外设来说是不可用的。第一个DMAC也称为“slave DAMC”，第二个DMAC也称为“Master DMAC”。
下面我们来详细叙述一下Intel 8237这个DMAC的结构。
每个8237 DMAC都提供4个DMA通道，每个DMA通道都有各自的寄存器，而8237本身也有一组控制寄存器，用以控制它所提供的所有DMA通道。
4．2．1 DMA通道的寄存器
8237 DMAC中的每个DMA通道都有5个寄存器，分别是：当前地址寄存器、当前计数寄存器、地址寄存器（也称为偏移寄存器）、计数寄存器和页寄存器。其中，前两个是8237的内部寄存器，对外部是不可见的。
（1）当前地址寄存器（Current Address Register）：每个DMA通道都有一个16位的当前地址寄存器，表示一个DMA传输事务（Transfer Transaction）期间当前DMA传输操作的DMA物理内存地址。在每个DMA传输开始前，8237都会自动地用该通道的Address Register中的值来初始化这个寄存器；在传输事务期间的每次DMA传输操作之后该寄存器的值都会被自动地增加或减小。
（2）当前计数寄存器（Current Count Register）：每个每个DMA通道都有一个16位的当前计数寄存器，表示当前DMA传输事务还剩下多少未传输的数据。在每个DMA传输事务开始之前，8237都会自动地用该通道的Count Register中的值来初始化这个寄存器。在传输事务期间的每次DMA传输操作之后该寄存器的值都会被自动地增加或减小（步长为1）。
（3）地址寄存器（Address Register）或偏移寄存器（Offset Register）：每个DMA通道都有一个16位的地址寄存器，表示系统RAM中的DMA缓冲区的起始位置在页内的偏移。
（4）计数寄存器（Count Register）：每个DMA通道都有一个16位的计数寄存器，表示DMA缓冲区的大小。
（5）页寄存器（Page Register）：该寄存器定义了DMA缓冲区的起始位置所在物理页的基地址，即页号。页寄存器有点类似于PC中的段基址寄存器。
4．2．2 8237 DAMC的控制寄存器
（1）命令寄存器（Command Register）
这个8位的寄存器用来控制8237芯片的操作。其各位的定义如下图所示：
（2）模式寄存器（Mode Register）
用于控制各DMA通道的传输模式，如下所示：
（3）请求寄存器（Request Register）
用于向各DMA通道发出DMA请求。各位的定义如下：
（4）屏蔽寄存器（Mask Register）
用来屏蔽某个DMA通道。当一个DMA通道被屏蔽后，它就不能在服务于DMA请求，直到通道的屏蔽码被清除。各位的定义如下：
上述屏蔽寄存器也称为“单通道屏蔽寄存器”（Single Channel Mask Register），因为它一次只能屏蔽一个通道。此外含有一个屏蔽寄存器，可以实现一次屏蔽所有4个DMA通道，如下：
（5）状态寄存器（Status Register）
一个只读的8位寄存器，表示各DMA通道的当前状态。比如：DMA通道是否正服务于一个DMA请求，或者某个DMA通道上的DMA传输事务已经完成。各位的定义如下：
4．2．3 8237 DMAC的I/O端口地址
主、从8237 DMAC的各个寄存器都是编址在I/O端口空间的。而且其中有些I/O端口地址对于I/O读、写操作有不同的表示含义。如下表示所示：
Slave DMAC’s I/O port Master DMAC’sI/O port read write
0x000 0x0c0 Channel 0/4 的Address Register
0x001 0x0c1 Channel 0／4的Count Register
0x002 0x0c2 Channel 1／5 的Address Register
0x003 0x0c3 Channel 1／5的Count Register
0x004 0x0c4 Channel 2／6的Address Register
0x005 0x0c5 Channel 2／6的Count Register
0x006 0x0c6 Channel 3／7的Address Register
0x007 0x0c7 Channel 3／7的Count Register
0x008 0x0d0 Status Register Command Register
0x009 0x0d2 Request Register
0x00a 0x0d4 Single Channel Mask Register
0x00b 0x0d6 Mode Register
0x00c 0x0d8 Clear Flip-Flop Register
0x00d 0x0da Temporary Register Reset DMA controller
0x00e 0x0dc Reset all channel masks
0x00f 0x0de all-channels Mask Register
各DMA通道的Page Register在I/O端口空间中的地址如下：
DMA channel Page Register’sI/O port address
0 0x087
1 0x083
2 0x081
3 0x082
4 0x08f
5 0x08b
6 0x089
7 0x08a
注意两点：
1. 各DMA通道的Address Register是一个16位的寄存器，但其对应的I/O端口是8位宽，因此对这个寄存器的读写就需要两次连续的I/O端口读写操作，低8位首先被发送，然后紧接着发送高8位。
2. 各DMA通道的Count Register：这也是一个16位宽的寄存器（无论对于8位DMA还是16位DMA），但相对应的I/O端口也是8位宽，因此读写这个寄存器同样需要两次连续的I/O端口读写操作，而且同样是先发送低8位，再发送高8位。往这个寄存器中写入的值应该是实际要传输的数据长度减1后的值。在DMA传输事务期间，这个寄存器中的值在每次DMA传输操作后都会被减1，因此读取这个寄存器所得到的值将是当前DMA事务所剩余的未传输数据长度减1后的值。当DMA传输事务结束时，该寄存器中的值应该被置为0。
4．2．4 DMA通道的典型使用
在一个典型的PC机中，某些DMA通道通常被固定地用于一些PC机中的标准外设，如下所示：
Channel Size Usage
0 8-bit Memory Refresh
1 8-bit Free
2 8-bit Floppy Disk Controller
3 8-bit Free
4 16-bit Cascading
5 16-bit Free
6 16-bit Free
7 16-bit Free
4．2．5 启动一个DMA传输事务的步骤
要启动一个DMA传输事务必须对8237进行编程，其典型步骤如下：
1. 通过CLI指令关闭中断。
2. Disable那个将被用于此次DMA传输事务的DMA通道。
3. 向Flip-Flop寄存器中写入0值，以重置它。
4. 设置Mode Register。
5. 设置Page Register。
6. 设置Address Register。
7. 设置Count Register。
8. Enable那个将被用于此次DMA传输事务的DMA通道。
9. 用STI指令开中断。
4．3 Linux对读写操作8237 DMAC的实现
由于DMAC的各寄存器是在I/O端口空间中编址的，因此读写8237 DMAC是平台相关的。对于x86平台来说，Linux在include／asm-i386／Dma.h头文件中实现了对两个8237 DMAC的读写操作。
4．3．1 端口地址和寄存器值的宏定义
Linux用宏MAX_DMA_CHANNELS来表示系统当前的DMA通道个数，如下：
#define MAX_DMA_CHANNELS 8
然后，用宏IO_DMA1_BASE和IO_DMA2_BASE来分别表示两个DMAC在I/O端口空间的端口基地址：
#define IO_DMA1_BASE 0x00 /* 8 bit slave DMA, channels 0..3 */
#define IO_DMA2_BASE 0xC0 /* 16 bit master DMA, ch 4(=slave input)..7 */
接下来，Linux定义了DMAC各控制寄存器的端口地址。其中，slave SMAC的各控制寄存器的端口地址定义如下：
#define DMA1_CMD_REG 0x08 /* command register (w) */
#define DMA1_STAT_REG 0x08 /* status register (r) */
#define DMA1_REQ_REG 0x09 /* request register (w) */
#define DMA1_MASK_REG 0x0A /* single-channel mask (w) */
#define DMA1_MODE_REG 0x0B /* mode register (w) */
#define DMA1_CLEAR_FF_REG 0x0C /* clear pointer flip-flop (w) */
#define DMA1_TEMP_REG 0x0D /* Temporary Register (r) */
#define DMA1_RESET_REG 0x0D /* Master Clear (w) */
#define DMA1_CLR_MASK_REG 0x0E /* Clear Mask */
#define DMA1_MASK_ALL_REG 0x0F /* all-channels mask (w) */
Master DMAC的各控制寄存器的端口地址定义如下：
#define DMA2_CMD_REG 0xD0 /* command register (w) */
#define DMA2_STAT_REG 0xD0 /* status register (r) */
#define DMA2_REQ_REG 0xD2 /* request register (w) */
#define DMA2_MASK_REG 0xD4 /* single-channel mask (w) */
#define DMA2_MODE_REG 0xD6 /* mode register (w) */
#define DMA2_CLEAR_FF_REG 0xD8 /* clear pointer flip-flop (w) */
#define DMA2_TEMP_REG 0xDA /* Temporary Register (r) */
#define DMA2_RESET_REG 0xDA /* Master Clear (w) */
#define DMA2_CLR_MASK_REG 0xDC /* Clear Mask */
#define DMA2_MASK_ALL_REG 0xDE /* all-channels mask (w) */
8个DMA通道的Address Register的端口地址定义如下：
#define DMA_ADDR_0 0x00 /* DMA address registers */
#define DMA_ADDR_1 0x02
#define DMA_ADDR_2 0x04
#define DMA_ADDR_3 0x06
#define DMA_ADDR_4 0xC0
#define DMA_ADDR_5 0xC4
#define DMA_ADDR_6 0xC8
#define DMA_ADDR_7 0xCC
8个DMA通道的Count Register的端口地址定义如下：
#define DMA_CNT_0 0x01 /* DMA count registers */
#define DMA_CNT_1 0x03
#define DMA_CNT_2 0x05
#define DMA_CNT_3 0x07
#define DMA_CNT_4 0xC2
#define DMA_CNT_5 0xC6
#define DMA_CNT_6 0xCA
#define DMA_CNT_7 0xCE
8个DMA通道的Page Register的端口地址定义如下：
#define DMA_PAGE_0 0x87 /* DMA page registers */
#define DMA_PAGE_1 0x83
#define DMA_PAGE_2 0x81
#define DMA_PAGE_3 0x82
#define DMA_PAGE_5 0x8B
#define DMA_PAGE_6 0x89
#define DMA_PAGE_7 0x8A
Mode Register的几个常用值的定义如下：
#define DMA_MODE_READ 0x44 /* I/O to memory, no autoinit, increment, single mode */
#define DMA_MODE_WRITE 0x48 /* memory to I/O, no autoinit, increment, single mode */
#define DMA_MODE_CASCADE 0xC0 /* pass thru DREQ->HRQ, DACK