DMA技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)直接傳輸？

01.?轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)，可以不用CPU嗎？

在計(jì)算機(jī)中，各個(gè)部件之間傳遞信息，是通過(guò)總線（公共通信干線，類(lèi)似于高速公路）進(jìn)行傳輸?shù)摹８鶕?jù)傳遞信息的類(lèi)型可分為數(shù)據(jù)總線（DB）、地址總線（AB）、控制總線（CB）；根據(jù)連接設(shè)備的類(lèi)型，又可以分為主存總線、I/O總線。

CPU是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)作的核心部件，通過(guò)主存總線跟主存儲(chǔ)器（內(nèi)存）進(jìn)行通信，通過(guò)I/O總線與多個(gè)外部設(shè)備（如硬盤(pán)、網(wǎng)卡等）進(jìn)行通信，具有轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)、計(jì)算、控制程序轉(zhuǎn)移等很多功能。CPU無(wú)時(shí)不刻的在處理著大量的事務(wù)，但有些時(shí)候數(shù)據(jù)的復(fù)制和存儲(chǔ)相比于其它事務(wù)并沒(méi)有那么重要。

假如您正在電腦面前刷劇，CPU此時(shí)忙碌著處理視頻播放事務(wù)的計(jì)算任務(wù)；突然，您想把一個(gè)帶有U盤(pán)（外設(shè)A）文件數(shù)據(jù)拷貝到您的電腦的某個(gè)磁盤(pán)（外設(shè)B）上，這就給CPU觸發(fā)了一次中斷，需要CPU優(yōu)先處理文件數(shù)據(jù)拷貝（復(fù)制），從而影響了CPU處理播放視頻事務(wù)。

那有沒(méi)有可能讓數(shù)據(jù)從外設(shè)A拷貝到外設(shè)B時(shí)，讓CPU減少或甚至不參與消耗算力資源呢？

答案是肯定的！

解決思路就是：只要給外設(shè)A和外設(shè)B提供一條數(shù)據(jù)通路，直接讓數(shù)據(jù)由A拷貝到B 不經(jīng)過(guò)CPU的處理。

這就是大佬們?cè)O(shè)計(jì)的 DMA技術(shù)?，用于解決數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移過(guò)度消耗CPU資源的問(wèn)題。有了DMA使CPU更專(zhuān)注于更加實(shí)用的操作–計(jì)算、控制等。

02.?DMA技術(shù)，如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)直接傳輸？

DMA，全稱(chēng)Direct Memory Access，即直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)。

DMA定義：用來(lái)提供在外設(shè)和存儲(chǔ)器之間或者存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。無(wú)須CPU的干預(yù)，通過(guò)DMA數(shù)據(jù)可以快速地移動(dòng)。這就節(jié)省了CPU的資源來(lái)做其他操作。

整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸操作在一個(gè) DMA 控制器（DMAC）的控制下進(jìn)行的，CPU 除了在數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)始和結(jié)束時(shí)做一點(diǎn)處理外（開(kāi)始和結(jié)束時(shí)候要做中斷處理），在傳輸過(guò)程中 CPU 可以繼續(xù)進(jìn)行其他的工作。這樣在大部分時(shí)間里，CPU 計(jì)算和 I/O 操作都處于并行操作，使整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率大大提高。

因此，DMA的作用就是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的直接傳輸，而去掉了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸需要CPU寄存器參與的環(huán)節(jié)。主要涉及四種情況（外設(shè)到內(nèi)存，內(nèi)存到外設(shè)，內(nèi)存到內(nèi)存，外設(shè)到外設(shè)）的數(shù)據(jù)傳輸，但本質(zhì)上是一樣的，都是從內(nèi)存的某一區(qū)域傳輸?shù)絻?nèi)存的另一區(qū)域（外設(shè)的數(shù)據(jù)寄存器本質(zhì)上就是內(nèi)存的一個(gè)存儲(chǔ)單元）。

DMA傳輸將數(shù)據(jù)從一個(gè)地址空間復(fù)制到另一個(gè)地址空間，提供在外設(shè)和存儲(chǔ)器之間或者存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。

03.?DMA技術(shù)，在Linux OS如何應(yīng)用？

而Linux OS提供了輪詢(xún)、I/O 中斷以及 DMA 傳輸這 3 種磁盤(pán)與主存之間的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。

1）輪詢(xún)方式是基于死循環(huán)對(duì) I/O 端口進(jìn)行不斷檢測(cè)。

2）I/O 中斷方式是指當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，磁盤(pán)主動(dòng)向 CPU 發(fā)起中斷請(qǐng)求，由 CPU 自身負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程。

3）DMA 傳輸則在 I/O 中斷的基礎(chǔ)上引入了 DMA 磁盤(pán)控制器，由 DMA 磁盤(pán)控制器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸，降低了 I/O 中斷操作對(duì) CPU 資源的大量消耗。

I/O 中斷方式

在 DMA 技術(shù)出現(xiàn)之前，應(yīng)用程序與磁盤(pán)之間的 I/O 操作都是通過(guò) CPU 的中斷完成的。每次用戶(hù)進(jìn)程讀取磁盤(pán)數(shù)據(jù)時(shí)，都需要 CPU 中斷，然后發(fā)起 I/O 請(qǐng)求等待數(shù)據(jù)讀取和拷貝完成，每次的 I/O 中斷都導(dǎo)致 CPU 的上下文切換：

1）用戶(hù)進(jìn)程向 CPU 發(fā)起 read 系統(tǒng)調(diào)用讀取數(shù)據(jù)，由用戶(hù)態(tài)切換為內(nèi)核態(tài)，然后一直阻塞等待數(shù)據(jù)的返回。

2）CPU 在接收到指令以后對(duì)磁盤(pán)發(fā)起 I/O 請(qǐng)求，將磁盤(pán)數(shù)據(jù)先放入磁盤(pán)控制器緩沖區(qū)。

3）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成以后，磁盤(pán)向 CPU 發(fā)起 I/O 中斷。

4）CPU 收到 I/O 中斷以后將磁盤(pán)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)，然后再?gòu)膬?nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶(hù)緩沖區(qū)。

5）用戶(hù)進(jìn)程由內(nèi)核態(tài)切換回用戶(hù)態(tài)，解除阻塞狀態(tài)，然后等待 CPU 的下一個(gè)執(zhí)行時(shí)間鐘。

DMA傳輸方式

有了 DMA 磁盤(pán)控制器接管數(shù)據(jù)讀寫(xiě)請(qǐng)求以后，CPU 從繁重的 I/O 操作中解脫，數(shù)據(jù)讀取操作的流程如下：

image

1）用戶(hù)進(jìn)程向 CPU 發(fā)起 read 系統(tǒng)調(diào)用讀取數(shù)據(jù)，由用戶(hù)態(tài)切換為內(nèi)核態(tài)，然后一直阻塞等待數(shù)據(jù)的返回。

2）CPU 在接收到指令以后對(duì) DMA 磁盤(pán)控制器發(fā)起調(diào)度指令。

3）DMA 磁盤(pán)控制器對(duì)磁盤(pán)發(fā)起 I/O 請(qǐng)求，將磁盤(pán)數(shù)據(jù)先放入磁盤(pán)控制器緩沖區(qū)，CPU 全程不參與此過(guò)程。

4）數(shù)據(jù)讀取完成后，DMA 磁盤(pán)控制器會(huì)接受到磁盤(pán)的通知，將數(shù)據(jù)從磁盤(pán)控制器緩沖區(qū)拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)。

5）DMA 磁盤(pán)控制器向 CPU 發(fā)出數(shù)據(jù)讀完的信號(hào)，由 CPU 負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶(hù)緩沖區(qū)。

6）用戶(hù)進(jìn)程由內(nèi)核態(tài)切換回用戶(hù)態(tài)，解除阻塞狀態(tài)，然后等待 CPU 的下一個(gè)執(zhí)行時(shí)間鐘。

04.?總結(jié)

目前大多數(shù)的硬件設(shè)備，包括磁盤(pán)控制器、網(wǎng)卡、顯卡以及聲卡等都支持 DMA 技術(shù)。通過(guò) DMA 和虛擬內(nèi)存技術(shù)，實(shí)現(xiàn)IO 設(shè)備跟用戶(hù)程序空間傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程中，減少數(shù)據(jù)拷貝次數(shù)，減少系統(tǒng)調(diào)用，實(shí)現(xiàn) CPU 的零參與，徹底消除 CPU 在這方面的負(fù)載。

編輯：黃飛

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