SPI OLED DMA 驱动程序 - 学习DMA概念
目录结构
spi_oled_dma/
├── spi_oled_dma.c # 主驱动程序
├── spi_oled_dma.h # 头文件
├── spi_oled_fb.c # Framebuffer接口
├── Makefile # 编译文件
├── dts/
│ └── spi_oled_overlay.dts # 设备树
└── test/
└── test_oled.c # 用户空间测试程序
- 头文件 (spi_oled_dma.h)
/** spi_oled_dma.h - SPI OLED DMA驱动头文件** 用于学习Linux内核DMA概念的教学驱动* 支持SSD1306 OLED显示屏 (128x64)*/#ifndef _SPI_OLED_DMA_H_
#define _SPI_OLED_DMA_H_#include <linux/types.h>
#include <linux/spi/spi.h>
#include <linux/fb.h>
#include <linux/gpio/consumer.h>
#include <linux/dma-mapping.h>
#include <linux/dmaengine.h>/* ============================================================* 📚 DMA基础概念说明* ============================================================** DMA (Direct Memory Access) 直接内存访问：** 传统方式 (PIO - Programmed I/O):* CPU从内存读数据 -> CPU写到SPI控制器 -> 重复...* CPU全程参与，无法做其他事情** DMA方式:* CPU告诉DMA控制器: "从这个地址开始，搬这么多数据到SPI控制器"* DMA控制器自动搬运数据，CPU可以去做别的事情* 搬运完成后，DMA控制器通过中断通知CPU** 关键概念:* 1. DMA缓冲区 - 一块特殊分配的内存，CPU和DMA控制器都能访问* 2. 总线地址 - DMA控制器看到的内存地址（可能与CPU看到的不同）* 3. DMA通道 - DMA控制器中的一条数据通路* 4. DMA描述符 - 描述一次DMA传输的参数（源地址、目的地址、长度等）* 5. scatter-gather - 将多个不连续的内存块在一次DMA操作中传输** 内存地址类型:* 虚拟地址 (Virtual Address) - CPU使用的地址* 物理地址 (Physical Address) - 实际内存芯片上的地址* 总线地址 (Bus/DMA Address) - DMA控制器使用的地址* 在简单系统中，物理地址 == 总线地址* 在有IOMMU的系统中，它们可能不同** DMA映射类型:* 一致性映射 (Coherent/Consistent) - 硬件保证CPU和设备看到相同数据* 流式映射 (Streaming) - 需要显式同步操作*//* SSD1306 OLED 显示参数 */
#define OLED_WIDTH 128
#define OLED_HEIGHT 64
#define OLED_PAGES (OLED_HEIGHT / 8) /* 8页，每页8行像素 */
#define OLED_BUF_SIZE (OLED_WIDTH * OLED_PAGES) /* 1024字节 *//* SSD1306 命令定义 */
#define SSD1306_SET_LOW_COLUMN 0x00
#define SSD1306_SET_HIGH_COLUMN 0x10
#define SSD1306_SET_MEMORY_MODE 0x20
#define SSD1306_SET_COL_ADDR 0x21
#define SSD1306_SET_PAGE_ADDR 0x22
#define SSD1306_SET_START_LINE 0x40
#define SSD1306_SET_CONTRAST 0x81
#define SSD1306_CHARGE_PUMP 0x8D
#define SSD1306_SET_SEG_REMAP 0xA1
#define SSD1306_DISPLAY_ALL_ON_RESUME 0xA4
#define SSD1306_SET_NORMAL_DISPLAY 0xA6
#define SSD1306_SET_INVERSE_DISPLAY 0xA7
#define SSD1306_SET_MUX_RATIO 0xA8
#define SSD1306_DISPLAY_OFF 0xAE
#define SSD1306_DISPLAY_ON 0xAF
#define SSD1306_SET_COM_SCAN_DEC 0xC8
#define SSD1306_SET_DISPLAY_OFFSET 0xD3
#define SSD1306_SET_DISPLAY_CLOCK_DIV 0xD5
#define SSD1306_SET_PRECHARGE 0xD9
#define SSD1306_SET_COM_PINS 0xDA
#define SSD1306_SET_VCOM_DETECT 0xDB/* DMA传输模式 */
enum oled_dma_mode {DMA_MODE_COHERENT, /* 一致性DMA映射 */DMA_MODE_STREAMING, /* 流式DMA映射 */DMA_MODE_SG, /* Scatter-Gather DMA */DMA_MODE_PIO, /* 无DMA，CPU直接传输（对比用） */
};/** ============================================================* 📚 DMA缓冲区结构说明* ============================================================** 一致性DMA缓冲区 (Coherent DMA Buffer):* 分配: dma_alloc_coherent()* 释放: dma_free_coherent()* 特点: * - CPU和设备始终看到一致的数据（硬件保证cache一致性）* - 不需要手动同步* - 可能比较慢（通常映射为non-cacheable）* - 适用于频繁被CPU和设备同时访问的缓冲区* 返回:* - 虚拟地址（CPU使用）* - DMA地址（设备使用）** 流式DMA映射 (Streaming DMA Mapping):* 映射: dma_map_single()* 取消: dma_unmap_single()* 同步: dma_sync_single_for_device() / dma_sync_single_for_cpu()* 特点:* - 可以映射普通kmalloc内存* - 需要指定方向: DMA_TO_DEVICE / DMA_FROM_DEVICE / DMA_BIDIRECTIONAL* - 需要手动同步（确保cache一致性）* - 性能通常更好（内存可以是cacheable的）* - 适用于一次性或间歇性的DMA传输*//* DMA缓冲区信息 */
struct oled_dma_buf {void *vaddr; /* CPU虚拟地址 */dma_addr_t dma_addr; /* DMA总线地址 */size_t size; /* 缓冲区大小 */bool is_coherent; /* 是否为一致性映射 */
};/* Scatter-Gather表项 */
struct oled_sg_entry {struct scatterlist sg; /* 内核sg结构 */void *vaddr; /* 该段的虚拟地址 */size_t size; /* 该段的大小 */
};/* * DMA统计信息 - 用于学习和调试 * 通过sysfs导出，方便观察DMA行为*/
struct oled_dma_stats {u64 dma_transfers; /* DMA传输总次数 */u64 dma_bytes; /* DMA传输总字节数 */u64 dma_errors; /* DMA错误次数 */u64 pio_transfers; /* PIO传输次数（对比） */u64 avg_transfer_time_ns; /* 平均传输时间(纳秒) */ktime_t last_transfer_start;/* 上次传输开始时间 */ktime_t last_transfer_end; /* 上次传输结束时间 */
};/* 主设备结构体 */
struct spi_oled_device {/* SPI相关 */struct spi_device *spi;struct device *dev;/* GPIO引脚 */struct gpio_desc *dc_gpio; /* 数据/命令选择引脚: 0=命令, 1=数据 */struct gpio_desc *reset_gpio; /* 复位引脚 *//* Framebuffer相关 */struct fb_info *fb_info;u8 *fb_vmem; /* framebuffer显存(CPU格式: 每像素1bit) */size_t fb_vmem_size;/* ====== DMA相关 ====== *//* * 一致性DMA缓冲区* 用于存放要发送到OLED的显示数据* CPU写入数据后，DMA控制器可以直接读取，无需额外同步*/struct oled_dma_buf coherent_buf;/** 流式DMA缓冲区* 普通内存 + DMA映射* 需要在传输前后进行同步操作*/struct oled_dma_buf streaming_buf;/** Scatter-Gather DMA* 将framebuffer分成多个不连续的块传输*/struct sg_table sg_table;int sg_nents; /* SG表项数量 *//** DMA通道* SPI控制器通常有自己的DMA通道* 这里我们也可以请求独立的DMA通道来学习*/struct dma_chan *dma_chan_tx; /* 发送DMA通道 *//* 当前DMA模式 */enum oled_dma_mode dma_mode;/* DMA完成等待 */struct completion dma_completion;/* DMA统计 */struct oled_dma_stats stats;/* 同步保护 */struct mutex buf_lock; /* 缓冲区访问锁 */spinlock_t stats_lock; /* 统计信息锁 *//* 工作队列 - 用于延迟刷新 */struct delayed_work refresh_work;bool refresh_pending;/* 设备状态 */bool powered_on;u8 contrast;
};/* 函数声明 *//* 驱动核心函数 */
int oled_hw_init(struct spi_oled_device *oled);
void oled_hw_reset(struct spi_oled_device *oled);
int oled_write_cmd(struct spi_oled_device *oled, u8 cmd);
int oled_write_cmd_seq(struct spi_oled_device *oled, const u8 *cmds, size_t len);/* DMA相关函数 */
int oled_dma_init(struct spi_oled_device *oled);
void oled_dma_cleanup(struct spi_oled_device *oled);
int oled_dma_transfer_coherent(struct spi_oled_device *oled);
int oled_dma_transfer_streaming(struct spi_oled_device *oled);
int oled_dma_transfer_sg(struct spi_oled_device *oled);
int oled_pio_transfer(struct spi_oled_device *oled);/* 显示刷新 */
int oled_refresh_display(struct spi_oled_device *oled);
void oled_convert_fb_to_oled(struct spi_oled_device *oled, u8 *dst);/* Framebuffer接口 */
int oled_fb_register(struct spi_oled_device *oled);
void oled_fb_unregister(struct spi_oled_device *oled);#endif /* _SPI_OLED_DMA_H_ */