DMA模式

本文详细介绍了DMA(Direct Memory Access)技术的基本概念及其工作原理。对比了DMA模式与PIO模式的不同之处,尤其是在减轻CPU负担方面的作用。此外,还阐述了DMA与程序中断在对CPU干扰程度上的区别,以及DMA在现代计算机系统中的重要应用。

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DMA的英文拼写是“Direct Memory Access”,汉语的意思就是直接内存访问,是一种不经过CPU而直接从内存存取数据的数据交换模式。PIO模式 下 硬盘和内存之间的数据传输是由CPU来控制的;而在DMA模式下,CPU只须向DMA控制器下达指令,让DMA控制器来处理数据的传送,数据传送完毕再把 信息反馈给CPU,这样就很大程度上减轻了CPU资源占有率。DMA模式与PIO模式的区别就在于,DMA模式不过分依赖CPU,可以大大节省系统资源, 二者在传输速度上的差异并不十分明显。DMA模式又可以分为Single-Word DMA(单字节DMA)和Multi-Word DMA(多字节DMA)两种,其中所能达到的最大传输速率也只有16.6MB/s。

  DMA 传送方式的优先级高于程序中断,两者的区别主要表现在对CPU的干扰程度不同。中断请求不但使CPU停下来,而且要CPU执行中断服务程序为中断请求服 务,这个请求包括了对断点和现场的处理以及CPU与外设的传送,所以CPU付出了很多的代价;DMA请求仅仅使CPU暂停一下,不需要对断点和现场的处 理,并且是由DMA控制外设与主存之间的数据传送,无需CPU的干预,DMA只是借用了一点CPU的时间而已。还有一个区别就是,CPU对这两个请求的响 应时间不同,对中断请求一般都在执行完一条指令的时钟周期末尾响应,而对DMA的请求,由于考虑它得高效性,CPU在每条指令执行的各个阶段之中都可以让 给DMA使用,是立即响应。
  DMA主要由硬件来实现,此时高速外设和内存之间进行数据交换不通过CPU的控制,而是利用系统总线。DMA方式是I/O系统与主机交换数据的主要方式之一,另外还有程序查询方式和中断方式。
  DMA工作原理
  DMA 是所有现代电脑的重要特色,他允许不同速度的硬件装置来沟通,而不需要依于 CPU 的大量 中断 负载。否则,CPU 需要从 来源 把每一片段的资料复制到 暂存器,然后把他们再次写回到新的地方。在这个时间中,CPU 对于其他的工作来说就无法使用。
  DMA 传输重要地将一个内存区从一个装置复制到另外一个。当 CPU 初始化这个传输动作,传输动作本身是由 DMA 控制器 来实行和完成。典型的例子就是移动一个外部内存的区块到芯片内部更快的内存去。像是这样的操作并没有让处理器工作拖延,反而可以被重新排程去处理其他的工 作。DMA 传输对于高效能 嵌入式系统 算法和网络是很重要的。
  举个例子,PC ISA DMA 控制器拥有 8 个 DMA 通道,其中的 7 个通道是可以让 PC 的 CPU 所利用。每一个 DMA 通道有一个 16位元 位址暂存器和一个 16 位元 计数暂存器。要初始化资料传输时,装置驱动程式一起设定 DMA 通道的位址和计数暂存器,以及资料传输的方向,读取或写入。然后指示 DMA 硬件开始这个传输动作。当传输结束的时候,装置就会以中断的方式通知 CPU。
  "分散-收集" (Scatter-gather) DMA 允许在一次单一的 DMA 处理中传输资料到多个内存区域。相当于把多个简单的 DMA 要求串在一起。再一次,这个动机是要减轻 CPU 的多次输出输入中断和资料复制任务。
  DRQ 意为 DMA 要求;DACK 意为 DMA 确认。这些符号一般在有 DMA 功能的电脑系统硬件概要上可以看到。他们表示了介于 CPU 和 DMA 控制器之间的电子讯号传输线路。

<think>嗯,用户想了解DMA模式工作原理和实现方式,特别是与计算机体系结构相关的部分。首先,我需要回忆一下DMA的基本概念。DMA,即直接内存访问,是一种允许外围设备直接与内存交换数据而无需CPU介入的技术,这样可以提高系统效率。 用户的问题中提到“原理”和“实现”,所以我需要分两部分来回答。首先解释DMA工作原理,包括它的作用、基本流程和优势。然后,讨论实现方式,可能涉及DMA控制器的结构、工作模式以及总线技术的影响。 记得用户之前提供的引用中有提到Scatter-gather DMA模式和总线结构。引用[1]里提到Scatter-gather模式使用链表描述非连续存储空间,比Block DMA高效。这个点应该包含在实现方式的优化部分。引用[2]提到总线技术是连接计算机各部件的通道,虚拟化技术可能相关,但用户的问题主要围绕DMA,可能需要提到总线在DMA中的作用,比如DMA控制器通过系统总线与内存、设备通信。 用户示例中的回答结构清晰,分点说明,我需要效仿。可能的结构:工作原理部分分点讲定义、流程、优势;实现方式部分讲DMA控制器结构、工作模式(包括普通和Scatter-gather)、总线结构的影响。 还需要注意用户提到的系统级指令,比如数学表达式用$...$,但这个问题可能涉及较少数学内容,可能用到的如数据传输的公式,比如传输时间计算,如果有的话要用正确格式。但根据问题,可能更多是文字描述。 然后生成相关问题。用户之前的示例问题包括性能分析、优化方法、应用场景,所以类似的问题可能包括DMA与其他传输方式的对比、Scatter-gather的应用,或者总线竞争的影响。 检查是否有遗漏点。例如,DMA工作流程中的三个阶段:请求、响应、传输。需要详细说明每个阶段CPU和DMA控制器的协作。另外,地址寄存器和计数器的作用,在实现方式里提到。 可能还需要提到DMA在计算机体系结构中的位置,如位于CPU和I/O设备之间,通过总线连接。引用[2]中的总线结构部分可以支持这一点,说明DMA如何利用总线进行数据传输,避免CPU的参与。 最后,确保引用正确。用户提供的引用[1]关于Scatter-gather DMA,引用[2]关于总线结构,引用[3]似乎不太相关,但可能有章节结构可以参考,不过这里可能不需要。所以主要引用[1]和[2]。 检查是否需要区分Block DMA和Scatter-gather DMA,用户的问题可能希望了解不同模式的实现方式,所以需要对比说明,引用[1]的例子正好用在这里。 确认回答是否覆盖了用户的问题点:原理、实现、计算机体系结构。是的,工作原理属于原理部分,实现方式和总线结构属于实现和体系结构部分。 可能用户的实际需求是理解DMA如何提升系统性能,尤其是在高负载情况下减少CPU占用,所以需要强调效率提升的原因,比如减少中断次数,直接内存访问等。 最后生成相关问题时,考虑DMA的应用场景、不同模式的比较、性能影响因素,以及与其他技术如中断驱动的对比。</think>### DMA模式工作原理及实现方式 #### 一、DMA模式核心原理 1. **基本定义** DMA(Direct Memory Access,直接内存访问)是一种允许外设**直接与内存交换数据**的技术,无需CPU参与数据传输过程,从而释放CPU资源[^1]。 2. **工作流程** - **阶段1:初始化** CPU配置DMA控制器的寄存器(包括内存起始地址、传输数据量、传输方向)。 - **阶段2:传输请求** 外设向DMA控制器发起传输请求(DREQ信号)。 - **阶段3:总线控制权获取** DMA控制器向CPU申请总线控制权(HRQ信号),CPU完成当前总线周期后释放控制权(HLDA信号)。 - **阶段4:数据传输** DMA控制器直接通过总线完成外设与内存间的数据传输。 - **阶段5:传输完成** DMA控制器释放总线,并通过中断通知CPU[^2]。 3. **性能优势** - 减少CPU中断次数,提升系统吞吐量。 - 数据传输速率可达总线带宽上限,例如:若总线频率为100MHz,则理论速率$R = 100 \times 10^6 \times 32\text{bit} = 3.2\text{GB/s}$。 #### 二、DMA实现关键技术 1. **DMA控制器结构** - **地址寄存器**:存储内存起始地址,支持自动递增。 - **计数器**:记录剩余传输数据量,归零时触发中断。 - **控制逻辑**:处理总线仲裁与传输协议(如突发传输、单周期传输)。 2. **工作模式** - **Block DMA** 连续传输一整块数据,适用于物理连续内存区域。 - **Scatter-Gather DMA** 通过链表描述多个非连续内存块,实现高效分散/聚集传输(减少CPU干预)[^1]。 ```c struct sg_entry { dma_addr_t addr; // 物理地址 uint32_t len; // 数据长度 struct sg_entry *next; // 下一节点 }; ``` 3. **总线架构影响** - **共享总线**:DMA控制器与CPU竞争总线使用权,需通过仲裁器协调。 - **独立I/O总线**:为DMA设计专用通道,避免总线竞争(如PCIe的Root Complex架构)[^2]。 #### 三、典型应用场景 1. **高速外设** 网络接口卡(NIC)接收数据包时,DMA直接将数据写入内核缓冲区。 2. **存储设备** SSD控制器通过DMA将数据从闪存传输到主机内存。 3. **图形处理** GPU显存与系统内存间的大规模纹理数据传输。 ```plaintext CPU <---> | DMA控制器 | <---> [总线] <---> 内存 | 地址寄存器 | | 计数器 | | 控制逻辑 | ```
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