驱动开发10.DMA

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,DMA,1,DMA,DMA即Direct Memory access,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？,2,传输模型,Windows 中的DMA传输基于这个模型,3,适配器对象（adapter）,Windows 2000,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,4,DmaOperations Function Pointer,Description,PutDmaAdapter,Destroys adapter object,AllocateCommonBuffer,Allocates a common buffer,FreeCommonBuffer,Releases a common buffer,AllocateAdapterChannel,Reserves adapter and map registers,FlushAdapterBuffers,Flushes intermediate data buffers after transfer,FreeAdapterChannel,Releases adapter object and map registers,FreeMapRegisters,Releases map registers only,MapTransfer,Programs one stage of a transfer,GetDmaAlignment,Gets address alignment required for adapter,ReadDmaCounter,Determines residual count,GetScatterGatherList,Reserves adapter and constructs scatter/gather list,PutScatterGatherList,Releases scatter/gather list,5,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。,6,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。,7,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（slave DMA）。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Windows 2000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。,8,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（,common buffer,），设备和驱动程序可以在任何时间同时访问这个缓冲区。,9,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：,10,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,11,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,direct input,或者,direct output,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,12,创建和销毁适配器对象,在处理start device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（adapter obiect）。,在处理stop device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,13,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。,14,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.doc,15,AllocateAdapterChannel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,16,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：,17,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.doc,18,DPC,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,19,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,20,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,21,使用系统DMA控制器,即,slave DMA,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,22,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,23,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,24,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,25,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。,26,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。,27,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,pdx-paCommonBuffer,pdx-vaCommonBuffer,FALSE,);,28,