Linux 系统下基于PCI 控制器(PLX9054)的DMA 编程.pdf

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1、Linux 系统下基于 PCI 控制器(PLX9054)的 DMA 编程 DMA programming with PCI controller(PLX9054)in Linux operating system 崔涛、刘庆文、胡玥 Cui,Tao.Liu,Qingwen.Hu,Yue.北京科技大学信息学院计算机系 100083 摘要摘要：DMA 是实现大批量数据快速传输的一种手段。DMA 的实现是高度依赖操作系统和硬件的。本文讨论了 DMA 编程在 Linux 系统下的所遇到的主要问题及解决方法。并通过实例介绍了基于PLX9054芯片的DMA实现方法。关键词关键词：Linux;PCI;DMA

2、;驱动程序;PLX9054;AbstractAbstract:DMA is a way to quickly transport large amount of data.DMA communication highly depends on operating system and certain hardware.This paper discusses the major problem and solution of DMA programming in Linux operating system.At the same time,an example is given to sho

3、w how to design DMA communication with PLX9054-PCI controller.KeywordsKeywords:Linux;PCI;DMA;device driver;PLX9054;1.引言 1.引言 在多媒体应用中，在实现视频数据从设备到主存的传输时，直接内存访问(DMA,Direct Memory Access)方式一直是实现大批量数据快速传输的首选方式。DMA 方式是依靠硬件在主存和I/O设备之间进行直接的数据传送的方式，其传送过程无须 CPU 执行程序来控制干预，能够满足大数据传输的对速度的要求。DMA 通信高度依赖操作系统和硬件特性，尤

4、其是在嵌入式环境下，操作系统、硬件特性和有限的环境资源对 DMA 通信的实现方式和实现手段有很大的影响。在DMA 通信的具体实现中所遇到的问题则因此而有所不同。本文以一个嵌入式视频处理项目为例，来分析在Linux系统下实现DMA编程的主要问题。在此项目中，视频采集卡采用 PLX9054芯片做 PCI 总线接口。视频数据由采集卡生成，缓存于卡上 RAM 存储器中，并通过设备驱动程序传输到主机内存中。要求编写Linux 设备驱动程序，利用 PLX9054 芯片的DMA 功能实现将卡上 RAM 中的数据快速的传输到系统的内核内存中。在这里，DMA 编程主要涉及到PCI接口、PLX9054芯片和Lin

5、ux系统。Linux 内核的发展很快。内核版本不同，设备驱动程序的结构、所使用的硬件接口和相关的内核支持函数可能会有很大的区别。因此在 Linux 系统下做驱动程序，必须确定内核的版本。本项目所用的 Linux 内核版本是在 2.4.20。下面所介绍的内容全部以该版本为基础。2.PCI 及 PLX9054 2.PCI 及 PLX9054 PCI 是外围设备互连（Peripheral Component Interconnect）的简称，它是一种通用总线接口标准。PCI 提供了一组完整的总线接口规范、电气特性和行为规约，通过该规范，计算机系统中的外围设备能够实现结构化、可控化的连接以及正确地进行

6、交互。PCI 设备上有三种地址空间：I/O 空间、存储空间和配置空间。配置空间的信息主要包括：设备识别号、供应商代码号、Local总线三个空间的大小以及三个空间的基址等。在计算机启动时，系统将根据配置信息分配系统资源。CPU 可以访问 PCI 设备上的所有地址空间，其中 I/O 空间和存储空间提供给设备驱动程序使用，而配置空间则由Linux 内核中的 PCI 初始化代码使用。PCI总线接口因其传输速度快、即插即用、自动配置的优点而成为实现数据采集设备到主机之间的接口的首选。PLX9054 是 PLX 公司生产的 PCI 总线接口控制器芯片。PLX9054 符合 PCIV2.2 规范，32 位，

7、工作频率为 33MHz，拥有两个独立的DMA 通道，传输速度达 132MB/s。PLX9054提供了 PCI 总线、EEPROM、LOCAL 总线三个接口，其中 LOCAL 总线有三种工作模式：M模式、C 模式和 J 模式。在实际的数据采集时，LOCAL 总线接口一般设置为 C 模式。PLX9054 芯片在 PCI 总线和 LOCAL 总线之间有三种直接的数据传输模式：PCI Initiator模式-LOCAL 总线主设备通过 PLX9054 访问PCI 总线存储空间和 I/O 空间;PCI Target模式-PCI 总线主设备通过 PLX9054 访问LOCAL 总线存储空间和 I/O 空间

8、；DMA 方式-PLX9054 作为两总线的主设备，实现 PCI总线存储空间与LOCAL总线存储空间之间的数据传输。PLX9054 的 DMA 模式有两种：block 模式-单块连续数据传输。这种模式适合于源、目的存储空间连续，数据连续存放的传输，最大传输长度为 4MB；scatter/gather模式-多块分散数据传输。该模式允许源、目的存储空间不止一个,块地址不连续。我们的视频采集卡LOCAL总线接口设置为 C 模式，数据传输模式使用 PCI Target和 DMA 两种：PCI Target 用于对控制模块中的寄存器进行读写，用于采集方式的设定；DMA 用于视频数据的传输。DMA 模式采

9、用block 模式。设计选用 PLX9054 的 DMA0 通道实现数据由本地 RAM 到主存的传输。PLX9054 DMA0通道的操作涉及到如下的控制寄存器(详见9054db-21.pdf文档的P11-34,P11-35，P11-38):寄存器 偏移地址功能 DMAMODE0(PCI:80H)设置局部总线工作模式，中断使能等 DMAPADR0(PCI:84H)PCI总线上的地址，主存地址，必须是物理地址 DMALADR0(PCI:88H)局部总线的地址，存储空间在局部总线的地址 DMASIZE0(PCI:8CH)需传送数据的长度，以字节为单位，最大4MBDMADPR0(PCI:90H)设置传

10、输方向，scatter/gather模式的描述块地址等 DMACSR0(PCI:A8H)DMA0的使能和启动，中断的清除 INTCSR(PCI:68H)设置PCI中断使能等 3.Linux 系统下的 DMA 编程 3.Linux 系统下的 DMA 编程 从上面的介绍看，要实现对 PLX9054 的DMA 操作，设置 DMA 控制寄存器,设备驱动程序需要做两件事：一是收集设备信息；二是建立 DMA 操作环境。PCI 设备信息包括两类：一类是 PCI 卡的设计约定信息：PLX9054 的工作模式、控制寄存器的偏移地址说明、局部总线存储器地址、卡上 RAM 容量、局部总线上的设备操命令及时序。约定信

11、息是设备设计时产生的，在 DMA 操作时直接引用就可以了。另一类是 PCI 配置信息：PLX9054 控制寄存器的I/O 基地址、局部总线控制寄存器 I/O 基地址、设备中断号。配置信息是计算机启动时自动配置的，需要通过设备驱动程序读取。在早期的 Linux 系统中，编程者需要通过系统调用自行编写代码实现读取PCI设备配置空间信息。在 x86 平台下，Linux 2.4 内核将 BIOS检测到的所有 PCI 设备的相关信息-包括PCI 配置信息-都存储在 pci_dev 结构中，并链接到 pci_devices 链表中了。因此配置信息是在 PCI 设备初始化阶段直接获取的。建立 DMA 操作环

12、境的工作包括：PCI 设备检测和初始化、DMA 缓冲区分配和中断处理。3.1 PCI 设备检测和初始化 PCI 设备检测和初始化要完成的工作有：PCI 设备搜索、PCI 设备使能、DMA 地址长度设定、设备 I/O 资源、MEM 资源请求、中断注册、保存 PCI 配置信息等。PCI 设备检测和初始化通过专门的注册函数 pci_register_driver 来实现。该函数通过pci_driver 结构向系统提供设备探测(probe)和 注 销(remove)函 数 接 口，并 根 据pci_device_id 结 构 中 的 设 备 ID 来 对pci_devices 链表进行搜索。一旦找到目

13、标PCI 设备，pci_register_driver 函数调用设备探测函数并向该函数传递该设备的 pci_dev变量，由设备探测函数完成对设备的初始化。下面给出主要的数据结构和函数内容。/PCI 设备信息描述结构 struct pci_device_id my_pci_table=vendor_id,device_id,0,0,0,0,0,0,/最后以 0 结尾;/PCI 设备结构(包括设备名称、探测函数、热插拔时的注销函数和 PCI 设备信息描述数组)struct pci_driver my_pci=name:MY_DEVICE_NAME,id_table:my_pci_table,pro

14、be:my_pci_probe,remove:my_pci_remove,;/PCI 设备注册 pci_register_driver(&my_pci);/设备探测函数 probe(struct pci_dev*pdev,const struct pci_device_id*pdevid)/PCI 设备使能 pci_enable_device(pdev);/DMA 掩码设置 pci_set_dma_mask(pdev,DMAMASK);/I/O、MEM 资源注册 pci_request_regions(pdev,DEV_NAME);/中断注册,my_pci_interrupt 为中断处理函数

15、request_irq(pdev-irq,my_pci_interrupt,SA_SHIRQ,DEV_NAME,0)/PCI 配置信息保存 io_port_addr=pci_resource_start(pdev,3);io_dma_addr=pci_resource_start(pdev,1);irq=pdev-irq;/设备注销函数 remove(struct pci_dev*pdev)/注销资源 pci_release_regions(pdev);/释放中断 free_irq(pdev-irq,0);/停用 PCI 设备 pci_disable_device(pdev);3.2 DMA

16、缓冲区的分配 在使用 DMA 方式传输数据时，设备使用局部总线和 PCI 总线将数据从本地 RAM传输到主存，数据被存放在连续的内存块中，而在 PC 上 PCI 总线地址就是物理地址，因此提供给 DMA 的主存地址和局部总线地址必须是物理地址，而且缓冲区必须是物理连续的。对于 PLX9054 的 scatter/gather 模式，每一个内存块也必须是连续的物理空间。此外，可供 DMA 使用的主存地址空间是有限制的。Linux 内核将内存分为三个区段：可用于 DMA 的内存、常规内存和高端内存。可用于 DMA 的内存是唯一能够和外部设备进行 DMA 数据传输的内存。这种限制是由连接外部设备到处

17、理器的地址总线的数量小于访问内存的地址总线的数量造成的。因此在分配 DMA 缓冲区时必须声明该空间是允许 DMA 使用的。在 Linux 2.4的内核中，可用于 DMA 的内存空间范围是0 至 16MB。在本项目的硬件环境中,实测可以分配到的总的 DMA 缓冲区是 11MB。因此，DMA 缓冲区的分配要求是：物理连续、DMA 可以访问、足够大。Linux系统是使用虚拟地址的系统。系统的内存分配函数提供的地址都是虚拟地址,必须经过virt_to_bus 函数转换才能得到物理地址。分配内核内存空间的函数有三个:kmalloc-该函数实现小于128KB的内核内存的申请，所申请的空间物理连续；_get

18、_free_pages-实现最大 2MB 的内存申请(在 Linux 2.4 的内核下)，以页为单位，所申请的空间物理连续；vmalloc-所分配的内存空间不保证物理连续。此外，Linux 2.4 内核还提供了一个专门用于 PCI 设备申请内核内存的函数 pci_alloc_consistent，该函数支持按字节长度申请。通过对内核的分析，该函数是通过_get_free_pages 函数实现对内核内存的分配，因此，其可能的最大分配空间也是2MB。从上面的分析可以看出，Linux 2.4 内核中能够用于分配 DMA 缓冲区的函数有三个:kmalloc、_get_free_pages和pci_al

19、loc_consistent，而且最大可分配的内存为 2MB。在处理视频等大数据量的嵌入式系统中，很多情况下数据都会超过 2MB，因此必须实现超过 2MB 的内核内存的申请。在本项目中采取如下方法：增加一套内存管理机制，用_get_free_pages 函数连续申请DMA 内存块，然后将这些块地址排序并从中找到符合要求的连续的块集，将这些块组合成满足大小要求的 DMA 缓冲区。使用完毕后，在通过管理机制释放这些内存块。另外，如 果PLX9054在 设 计 时 支 持scatter/gather 模式，那也可以申请多个不连续的、大小小于 2MB 的 DMA 缓冲区，从而解决 DMA 缓冲区的尺寸

20、问题。申请 DMA 缓冲区的时机要根据数据的变化情况和处理数据的要求来决定。在本项目中，数据长度固定不变，处理简单，缓冲区可重复使用。因此申请缓冲区的代码被放在驱动初始化阶段完成。卸载驱动时再释放缓冲区。3.3 中断处理 Linux 系统通过 request_irq 函数实现中断处理程序的注册。本项目的中断处理比较简单，仅需要清除中断信号并将缓冲区标志置位即可。需要注意的问题有两点:一是 PCI设备注册中断时必须使用的共享中断方式，因此，在中断处理程序中增加了对中断源的检查；二是 PLX9054 的中断信号一旦产生就一直有效，必须通过代码清除中断。在PLX9054 中有专门的寄存器来清除中断位

21、(见 DMA 控制寄存器-DMACSR0)。通过上述准备工作，DMA 操作的实现环境就完全建立起来了。数据采集的触发采用用户需求驱动，即当应用程序需要图像时，向驱动程序发出采集指令。应用程序通过轮询标志位确定 DMA 缓冲区是否准备好数据。整个数据传输过程如下：设备驱动程序向局部总线控制寄存器发出采集命令，视频采集卡采集信号并生成一帧图像，缓存于卡上 RAM 中。设备驱动程序通过轮询确定采集是否结束。数据准备完毕后，将收集的信息写入各 DMA 控制寄存器，触发 DMA传送数据。数据传送完毕后产生中断。中断处理程序清除中断源，设置 DMA 缓冲区准备好的标志位。以下是 PLX9054 DMA 控

22、制寄存器的值，仅供参考。DMAMODE0=0 x20443 DMAPADR0=0 x700000 DMALADR0=0 x800000 DMASIZE0=0 x300000 DMADPR0=0 x08 DMACSR0=0 x03 INTCSR =0 x40100 4.总结总结 综上所述，DMA 通信高度倚赖操作系统、硬件特性和资源。在实现 DMA 通信的过程中，项目要求、DMA 本身的特点、操作系统提供的支持、具体硬件特性以及系统资源之间是相互作用的。DMA 环境的建立过程，就是各部分相互协调、互为支持的过程。DMA 编程必须充分了解控制芯片的所提供的手段和限制，这些手段和限制是实现DMA 的

23、基础。在 Linux 系统下实现 DMA通信，需要处理的主要问题有：DMA 缓冲区的物理连续问题、PCI 设备检测和初始化问题、缓冲区的大小问题、PCI 设备信息收集问题等。此外，由于 Linux 内核的发展变化，系统提供的编程资源因内核的不同而变化，编程者必须充分了解所选内核版本提供的支持以及这种支持的发展方向。参考文献参考文献 1.Alessandro Rubini,Jonathan Corbet,魏永明译.Linux 设备驱动程序(第二版)M.中国电力出版社.2002.11.2.俸远祯等.计算机组成原理(修订本)M.电子工业出版社.1996.4.3.王长清 顾 红.基于 PCI 总线的大容量雷达数据采集系统的设计J.电子工程师.2002,Vol.28,No.8.4.PLX9054 Data Book V2.1S,2000.1 基金项目基金项目:国家自然科学基金(60343010)作者简介作者简介 崔涛 硕士、实验师、唐山学院教师,现就读于北京科技大学 Email 刘庆文、博士后、讲师、北京科技大学 胡玥、博士、副教授、北京科技大学