虚拟DMA模拟技术

在没有真实DMA硬件的情况下，使用memcpy模拟DMA传输的完整流程，包括缓冲区申请、启动传输和完成中断处理。

DMA技术简介

DMA（Direct Memory Access，直接内存访问）是一种允许硬件设备直接访问系统内存而不需要CPU参与的技术。这可以大大提高数据传输效率，减少CPU的负担。

虚拟DMA模拟流程

1. 申请DMA缓冲区
2. 设置DMA传输参数
3. 启动"传输"（使用memcpy）
4. 模拟DMA完成中断
5. 处理中断并清理资源

关键数据结构

结构体	描述	关键字段
dma_device	虚拟DMA设备结构	buffer, size, direction, irq
dma_transfer	DMA传输描述符	src, dest, len, status

代码实现示例

1. DMA缓冲区申请

#include <linux/dma-mapping.h>
#include <linux/slab.h>

struct dma_device {
    void *buffer;
    dma_addr_t dma_handle;
    size_t size;
    int irq;
};

static int allocate_dma_buffer(struct dma_device *dev, size_t size)
{
    // 申请一致性的DMA内存
    dev->buffer = dma_alloc_coherent(NULL, size, &dev->dma_handle, GFP_KERNEL);
    if (!dev->buffer) {
        pr_err("Failed to allocate DMA buffer\n");
        return -ENOMEM;
    }
    dev->size = size;
    pr_info("Allocated DMA buffer: virt=%p, phys=%pad\n", 
            dev->buffer, &dev->dma_handle);
    return 0;
}

2. DMA传输模拟

#include <linux/string.h>

enum dma_direction {
    DMA_MEM_TO_DEV,
    DMA_DEV_TO_MEM
};

struct dma_transfer {
    void *src;
    void *dest;
    size_t len;
    enum dma_direction dir;
    int status;
};

static void simulate_dma_transfer(struct dma_transfer *xfer)
{
    // 使用memcpy模拟DMA传输
    if (xfer->dir == DMA_MEM_TO_DEV) {
        memcpy(xfer->dest, xfer->src, xfer->len);
    } else {
        memcpy(xfer->src, xfer->dest, xfer->len);
    }
    
    xfer->status = 0; // 成功
    pr_info("DMA transfer completed: %zu bytes copied\n", xfer->len);
    
    // 模拟传输完成中断
    simulate_dma_interrupt();
}

3. 中断模拟与处理

#include <linux/interrupt.h>

static irqreturn_t dma_interrupt_handler(int irq, void *dev_id)
{
    struct dma_device *dev = (struct dma_device *)dev_id;
    
    // 处理DMA完成中断
    pr_info("DMA transfer interrupt received\n");
    
    // 清除中断状态，完成数据传输后处理
    
    return IRQ_HANDLED;
}

static void simulate_dma_interrupt(void)
{
    // 在QEMU环境中，我们可以通过软件方式触发中断
    pr_info("Simulating DMA completion interrupt\n");
    
    // 在实际驱动中，这里会调用硬件相关的 interrupt trigger
}

软件架构

关键API函数

函数	描述	头文件
dma_alloc_coherent()	申请一致性DMA内存	<linux/dma-mapping.h>
memcpy()	内存数据复制	<linux/string.h>
request_irq()	注册中断处理函数	<linux/interrupt.h>

总结

通过本实例，我们学习了如何在QEMU虚拟环境中模拟DMA传输：

• 使用dma_alloc_coherent()申请DMA缓冲区
• 使用memcpy()模拟数据传输过程
• 模拟DMA完成中断的处理机制
• 理解DMA传输的基本原理和流程

这种模拟方法虽然不能完全替代真实硬件DMA的性能，但对于理解DMA工作原理和开发原型系统非常有价值。