摘要：本文主要從內核實現的角度分析了Linux 2.4.0內核對ISA總線接口的外設進行DMA傳輸的實現。本文是為那些想要了解Linux I/O子系統的讀者和Linux驅動程序開發人員而寫的。
關鍵詞：Linux、I/O、ISA總線、DMA、設備驅動程序
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Linux對ISA總線外設DMA的實現
DMA是一種無需CPU的參與就可以讓外設與系統RAM之間進行雙向（to device 或 from device）數據傳輸的硬件機制。使用DMA可以使系統CPU從實際的I/O數據傳輸過程中擺脫出來，從而大大提高系統的吞吐率（throughput）。
由於DMA是一種硬件機制，因此它通常與硬件體系結構是相關的，尤其是依賴於外設的總線技術。比如：ISA卡的DMA機制就與PCI卡的DMA機制有區別。本站主要討論ISA總線的DMA技術。
4．1 DMA概述
DMA是外設與主存之間的一種數據傳輸機制。一般來說，外設與主存之間存在兩種數據傳輸方法：（1）Pragrammed I/O（PIO）方法，也即由CPU通過內存讀寫指令或I/O指令來持續地讀寫外設的內存單元（8位、16位或32位），直到整個數據傳輸過程完成。（2）DMA，即由DMA控制器（DMA Controller，簡稱DMAC）來完成整個數據傳輸過程。在此期間，CPU可以並發地執行其他任務，當DMA結束後，DMAC通過中斷通知CPU數據傳輸已經結束，然後由CPU執行相應的ISR進行後處理。
DMA技術產生時正是ISA總線在PC中流行的時侯。因此，ISA卡的DMA數據傳輸是通過ISA總線控制芯片組中的兩個級聯8237 DMAC來實現的。這種DMA機制也稱為“標准DMA”（standard DMA）。標准DMA有時也稱為“第三方DMA”（third-party DMA），這是因為：系統DMAC完成實際的傳輸過程，所以它相對於傳輸過程的“前兩方”（傳輸的發送者和接收者）來說是“第三方”。
標准DMA技術主要有兩個缺點：（1）8237 DMAC的數據傳輸速度太慢，不能與更高速的總線（如PCI）配合使用。（2）兩個8237 DMAC一起只提供了8個DMA通道，這也成為了限制系統I/O吞吐率提升的瓶頸。
鑒於上述兩個原因，PCI總線體系結構設計一種成為“第一方DMA”（first-party DMA）的DMA機制，也稱為“Bus Mastering”（總線主控）。在這種情況下，進行傳輸的PCI卡必須取得系統總線的主控權後才能進行數據傳輸。實際的傳輸也不借助慢速的ISA DMAC來進行，而是由內嵌在PCI卡中的DMA電路（比傳統的ISA DMAC要快）來完成。Bus Mastering方式的DMA可以讓PCI外設得到它們想要的傳輸帶寬，因此它比標准DMA功能滿足現代高性能外設的要求。
隨著計算機外設技術的不斷發展，現代能提供更快傳輸速率的Ultra DMA（UDMA）也已經被廣泛使用了。本為隨後的篇幅只討論ISA總線的標准DMA技術在Linux中的實現。記住：ISA卡幾乎不使用Bus Mastering模式的DMA；而PCI卡只使用Bus Mastering模式的DMA，它從不使用標准DMA。
4．2 Intel 8237 DMAC
最初的IBM PC／XT中只有一個8237 DMAC，它提供了4個8位的DMA通道（DMA channel 0－3）。從IBM AT開始，又增加了一個8237 DMAC（提供4個16位的DMA通道，DMA channel 4－7）。兩個8237 DMAC一起為系統提供8個DMA通道。與中斷控制器8259的級聯方式相反，第一個DMAC被級聯到第二個DMAC上，通道4被用於DMAC級聯，因此它對外設來說是不可用的。第一個DMAC也稱為“slave DAMC”，第二個DMAC也稱為“Master DMAC”。
下面我們來詳細敘述一下Intel 8237這個DMAC的結構。
每個8237 DMAC都提供4個DMA通道，每個DMA通道都有各自的寄存器，而8237本身也有一組控制寄存器，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中的每個DMA通道都有5個寄存器，分別是：當前地址寄存器、當前計數寄存器、地址寄存器（也稱為偏移寄存器）、計數寄存器和頁寄存器。其中，前兩個是8237的內部寄存器，對外部是不可見的。
（1）當前地址寄存器（Current Address Register）：每個DMA通道都有一個16位的當前地址寄存器，表示一個DMA傳輸事務（Transfer Transaction）期間當前DMA傳輸操作的DMA物理內存地址。在每個DMA傳輸開始前，8237都會自動地用該通道的Address Register中的值來初始化這個寄存器；在傳輸事務期間的每次DMA傳輸操作之後該寄存器的值都會被自動地增加或減小。
（2）當前計數寄存器（Current Count Register）：每個每個DMA通道都有一個16位的當前計數寄存器，表示當前DMA傳輸事務還剩下多少未傳輸的數據。在每個DMA傳輸事務開始之前，8237都會自動地用該通道的Count Register中的值來初始化這個寄存器。在傳輸事務期間的每次DMA傳輸操作之後該寄存器的值都會被自動地增加或減小（步長為1）。
（3）地址寄存器（Address Register）或偏移寄存器（Offset Register）：每個DMA通道都有一個16位的地址寄存器，表示系統RAM中的DMA緩沖區的起始位置在頁內的偏移。
（4）計數寄存器（Count Register）：每個DMA通道都有一個16位的計數寄存器，表示DMA緩沖區的大小。
（5）頁寄存器（Page Register）：該寄存器定義了DMA緩沖區的起始位置所在物理頁的基地址，即頁號。頁寄存器有點類似於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）
這個8位的寄存器用來控制8237芯片的操作。其各位的定義如下圖所示：
（2）模式寄存器（Mode Register）
用於控制各DMA通道的傳輸模式，如下所示：
（3）請求寄存器（Request Register）
用於向各DMA通道發出DMA請求。各位的定義如下：
（4）屏蔽寄存器（Mask Register）
用來屏蔽某個DMA通道。當一個DMA通道被屏蔽後，它就不能在服務於DMA請求，直到通道的屏蔽碼被清除。各位的定義如下：
上述屏蔽寄存器也稱為“單通道屏蔽寄存器”（Single Channel Mask Register），因為它一次只能屏蔽一個通道。此外含有一個屏蔽寄存器，可以實現一次屏蔽所有4個DMA通道，如下：
（5）狀態寄存器（Status Register）
一個只讀的8位寄存器，表示各DMA通道的當前狀態。比如：DMA通道是否正服務於一個DMA請求，或者某個DMA通道上的DMA傳輸事務已經完成。各位的定義如下：
4．2．3 8237 DMAC的I/O端口地址
主、從8237 DMAC的各個寄存器都是編址在I/O端口空間的。而且其中有些I/O端口地址對於I/O讀、寫操作有不同的表示含義。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端口空間中的地址如下：
DMA channel Page Register’sI/O port address
0 0x087
1 0x083
2 0x081
3 0x082
4 0x08f
5 0x08b
6 0x089
7 0x08a
注意兩點：
1. 各DMA通道的Address Register是一個16位的寄存器，但其對應的I/O端口是8位寬，因此對這個寄存器的讀寫就需要兩次連續的I/O端口讀寫操作，低8位首先被發送，然後緊接著發送高8位。
2. 各DMA通道的Count Register：這也是一個16位寬的寄存器（無論對於8位DMA還是16位DMA），但相對應的I/O端口也是8位寬，因此讀寫這個寄存器同樣需要兩次連續的I/O端口讀寫操作，而且同樣是先發送低8位，再發送高8位。往這個寄存器中寫入的值應該是實際要傳輸的數據長度減1後的值。在DMA傳輸事務期間，這個寄存器中的值在每次DMA傳輸操作後都會被減1，因此讀取這個寄存器所得到的值將是當前DMA事務所剩余的未傳輸數據長度減1後的值。當DMA傳輸事務結束時，該寄存器中的值應該被置為0。
4．2．4 DMA通道的典型使用
在一個典型的PC機中，某些DMA通道通常被固定地用於一些PC機中的標准外設，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 啟動一個DMA傳輸事務的步驟
要啟動一個DMA傳輸事務必須對8237進行編程，其典型步驟如下：
1. 通過CLI指令關閉中斷。
2. Disable那個將被用於此次DMA傳輸事務的DMA通道。
3. 向Flip-Flop寄存器中寫入0值，以重置它。
4. 設置Mode Register。
5. 設置Page Register。
6. 設置Address Register。
7. 設置Count Register。
8. Enable那個將被用於此次DMA傳輸事務的DMA通道。
9. 用STI指令開中斷。
4．3 Linux對讀寫操作8237 DMAC的實現
由於DMAC的各寄存器是在I/O端口空間中編址的，因此讀寫8237 DMAC是平台相關的。對於x86平台來說，Linux在include／asm-i386／Dma.h頭文件中實現了對兩個8237 DMAC的讀寫操作。
4．3．1 端口地址和寄存器值的宏定義
Linux用宏MAX_DMA_CHANNELS來表示系統當前的DMA通道個數，如下：
#define MAX_DMA_CHANNELS 8
然後，用宏IO_DMA1_BASE和IO_DMA2_BASE來分別表示兩個DMAC在I/O端口空間的端口基地址：
#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 */
接下來，Linux定義了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義如下：
#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義如下：
#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個DMA通道的Address Register的端口地址定義如下：
#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個DMA通道的Count Register的端口地址定義如下：
#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個DMA通道的Page Register的端口地址定義如下：
#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的幾個常用值的定義如下：
#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