12、设备驱动中的 DMA 技术详解

设备驱动中的 DMA 技术详解

1. DMA 简介

直接内存访问（Direct Memory Access，DMA）是嵌入式处理器上的一种系统控制器，它允许一些主要外设（如 SPI、I2C、UART、通用定时器、DAC 和 ADC）独立于主处理单元，直接与主内存进行 I/O 数据传输。同时，DMA 还可在无需 CPU 干预的情况下，管理 RAM 数据缓冲区之间的直接数据传输。在 DMA 传输过程中，CPU 可以继续执行代码，当 DMA 传输完成后，DMA 系统控制器会通过中断信号通知 CPU。

DMA 在块内存复制场景中非常有用，例如网络数据包路由和视频流应用。特别是在需要传输较大数据块或进行重复性操作时，使用 DMA 可以避免占用大量的 CPU 处理时间，提高系统效率。

2. 缓存一致性问题

在使用缓存系统的 DMA 时，主要问题之一是缓存内容与系统内存可能不一致。以带有缓存的 CPU 和可通过 DMA 访问的外部内存为例，当 CPU 尝试访问主内存中的数据 X 时，若该数据已被处理器缓存，后续对 X 的操作将更新缓存中的副本，而不是外部内存中的版本（假设使用写回缓存）。如果在下一次设备（DMA）尝试传输 X 之前，缓存未刷新到主内存，设备将接收到过时的 X 值。同样，如果在设备（DMA）向主内存写入新值之前，未使缓存中的 X 副本无效，CPU 将基于过时的 X 值进行操作。此外，当缓存刷新时，过时的数据会被写回主内存，覆盖 DMA 存储的新数据，导致主内存中的数据不正确。

2.1 解决缓存一致性的方法

• 相干架构 ：一些处理器采用总线窥探或缓存窥探机制，该系统