Lucas. 技术手记

驱动、bootloader、文件系统

嵌入式 SoC 与接口 22：DMA、描述符与环形缓冲

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合集 · 嵌入式 SoC 与接口：从芯片框图到系统调试已发布 50 篇
展开合集目录
  1. 嵌入式 SoC 与接口 01：从摄像头框图认识 SoC
  2. 嵌入式 SoC 与接口 02：电平、地与逻辑阈值
  3. 嵌入式 SoC 与接口 03：差分、阻抗、端接与信号完整性
  4. 嵌入式 SoC 与接口 04：PMIC、供电时序与掉电行为
  5. 嵌入式 SoC 与接口 05：晶振、PLL、时钟树与跨时钟域
  6. 嵌入式 SoC 与接口 06：复位域、看门狗与故障恢复
  7. 嵌入式 SoC 与接口 07：ADC、DAC、参考电压与采样
  8. 嵌入式 SoC 与接口 08：MCU、MPU、SoC 与操作系统
  9. 嵌入式 SoC 与接口 09：CPU、异常、中断与多核
  10. 嵌入式 SoC 与接口 10：GPU：并行计算、图形与数据搬运
  11. 嵌入式 SoC 与接口 11：DSP：滤波、FFT、定点数与饱和
  12. 嵌入式 SoC 与接口 12：NPU：张量计算、片上存储与 TOPS
  13. 嵌入式 SoC 与接口 13：ISP：从传感器 RAW 到可用图像
  14. 嵌入式 SoC 与接口 14：视频编解码器与图像加速器
  15. 嵌入式 SoC 与接口 15：Boot ROM、Bootloader 与系统启动
  16. 嵌入式 SoC 与接口 16：NOR、NAND、擦写与 ECC
  17. 嵌入式 SoC 与接口 17：eMMC：总线模式、内部管理与分区
  18. 嵌入式 SoC 与接口 18：安全启动、固件签名与 A/B 升级
  19. 嵌入式 SoC 与接口 19：寄存器、地址空间与 MMIO
  20. 嵌入式 SoC 与接口 20：SRAM、DDR、带宽与延迟
  21. 嵌入式 SoC 与接口 21：Cache、一致性与可见性
  22. 嵌入式 SoC 与接口 22：DMA、描述符与环形缓冲
  23. 嵌入式 SoC 与接口 23：MMU、IOMMU 与三种地址
  24. 嵌入式 SoC 与接口 24：AXI、AHB、APB 与片内互连
  25. 嵌入式 SoC 与接口 25：零拷贝、dma-buf 与缓冲生命周期
  26. 嵌入式 SoC 与接口 26：共享内存、Mailbox 与核间通信
  27. 嵌入式 SoC 与接口 27：GPIO、Pinmux、上下拉与引脚状态
  28. 嵌入式 SoC 与接口 28：UART、RS-232 与 RS-485
  29. 嵌入式 SoC 与接口 29：I²C：地址、ACK、重复起始与上拉
  30. 嵌入式 SoC 与接口 30：SPI、QSPI 与 Flash 访问
  31. 嵌入式 SoC 与接口 31：定时器、PWM、输入捕获与编码器
  32. 嵌入式 SoC 与接口 32：I²S、PCM、TDM 与音频时钟
  33. 嵌入式 SoC 与接口 33：CAN 与 CAN FD：仲裁、帧和错误状态
  34. 嵌入式 SoC 与接口 34：USB：角色、端点、传输类型与 UVC
  35. 嵌入式 SoC 与接口 35：SD 与 SDIO：存储卡和外设功能
  36. 嵌入式 SoC 与接口 36：Ethernet：MAC、PHY、MDIO 与吞吐
  37. 嵌入式 SoC 与接口 37：PCIe：链路、枚举、BAR、中断与 DMA
  38. 嵌入式 SoC 与接口 38：MIPI 全景：CSI、DSI 与 PHY
  39. 嵌入式 SoC 与接口 39：摄像头接入：供电、复位、MCLK 与配置
  40. 嵌入式 SoC 与接口 40：CSI-2：数据类型、虚拟通道与带宽预算
  41. 嵌入式 SoC 与接口 41：显示链路：DSI、RGB、LVDS 与 HDMI
  42. 嵌入式 SoC 与接口 42：设备树、probe、IRQ 与资源生命周期
  43. 嵌入式 SoC 与接口 43：实时性、中断延迟与优先级反转
  44. 嵌入式 SoC 与接口 44：万用表、示波器、逻辑分析仪与 JTAG
  45. 嵌入式 SoC 与接口 45：综合排障：无图、花屏、丢帧与 NPU 慢
  46. 嵌入式 SoC 与接口 46：选修：Wi-Fi、Bluetooth 与蜂窝通信
  47. 嵌入式 SoC 与接口 47：选修：工业以太网、EtherCAT 与 TSN
  48. 嵌入式 SoC 与接口 48：选修：FPGA、流水线与时序约束
  49. 嵌入式 SoC 与接口 49：选修：长距离视频 SerDes 与 A-PHY
  50. 嵌入式 SoC 与接口 50：选修：温度、功耗、EMC 与长期可靠性
嵌入式 SoC 与接口 22：DMA、描述符与环形缓冲的封面

第 22 / 50 课 · 核心课程。返回课程合集。

DMA 替代逐字节搬运，不替代管理

CPU 配置源、目的、长度或描述符，DMA 引擎执行传输。描述符可能还包含链表指针、所有权位和状态。具体格式由硬件规定，不能把普通数组地址直接写入所有设备。

提交成功只表示设备可以开始处理，完成通知才允许依协议使用结果。中断合并可能一次通知多个完成项，也可能丢失边沿后需要查询队列；驱动必须依据硬件完成状态消费，而不是假设“一次中断恰好一帧”。

环形缓冲最重要的是不覆盖在用项

每项可以经过 FREE→DEVICE→CPU→FREE。环回后索引相同，不代表这是同一代数据；可用计数、序列号或 generation 区分。生产速度超过消费速度时要定义丢弃、背压或停止策略。

描述符和负载的可见性也需要管理。先发布指针再写数据可能让设备读到未准备好的内容；完成后过早解除映射也可能造成设备继续访问无效地址。

DMA、描述符与环形缓冲：准备与提交、设备拥有、完成与复用

练习与参考结论

代码模拟三个槽和两轮提交，故意尝试复用 DEVICE 状态槽并拒绝。随后完成、消费、归还再提交。

移到真实板卡时检查 DMA 地址宽度、长度限制、对齐、边界与映射错误处理。离线状态机通过不证明设备可以 DMA 到任意内存。

配套代码

下载包包含独立运行所需文件，使用 Python 标准库；这里验证机制和计算，不代表开发板测量结果。

运行本课机制与计算示例

查看完整代码：main.py
class Ring:
    def __init__(self, size):
        self.slots = [{"state": "FREE", "generation": 0} for _ in range(size)]

    def submit(self, index):
        slot = self.slots[index]
        if slot["state"] != "FREE":
            raise RuntimeError("slot still in use")
        slot["state"] = "DEVICE"
        slot["generation"] += 1
        return index, slot["generation"]

    def complete(self, token):
        index, generation = token
        slot = self.slots[index]
        if slot["state"] != "DEVICE" or slot["generation"] != generation:
            raise RuntimeError("stale completion")
        slot["state"] = "CPU"

    def release(self, index):
        if self.slots[index]["state"] != "CPU":
            raise RuntimeError("not ready to release")
        self.slots[index]["state"] = "FREE"


def main():
    ring = Ring(3)
    first = ring.submit(0)
    try:
        ring.submit(0)
    except RuntimeError:
        pass
    else:
        raise AssertionError("overwrote busy slot")
    ring.complete(first)
    ring.release(0)
    second = ring.submit(0)
    assert first != second
    try:
        ring.complete(first)
    except RuntimeError:
        pass
    else:
        raise AssertionError("old completion accepted")
    ring.complete(second)
    ring.release(0)
    print("busy reuse and stale completion rejected; slot:", ring.slots[0])


if __name__ == "__main__":
    main()
下载代码

在项目根目录执行；下载包解压后，在解压目录执行 python3 main.py。

cd 'content/posts/驱动、bootloader、文件系统/嵌入式SoC与接口/22-DMA、描述符与环形缓冲/code' && python3 main.py

延伸阅读

上一课：Cache、一致性与可见性 · 下一课：MMU、IOMMU 与三种地址