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DMA（Direct Memory Access）：直接內(nèi)存訪問(wèn)

一、傳統(tǒng)CPU存取數(shù)據(jù)

CPU不直接存取外設(shè)的原因主要有兩點(diǎn)：

1. 速度差異：CPU的處理速度遠(yuǎn)高于外設(shè)，無(wú)法直接同步。
2. 格式多樣性：外設(shè)數(shù)據(jù)格式種類(lèi)繁多，需要轉(zhuǎn)換才能被CPU處理。

傳統(tǒng)CPU獲取數(shù)據(jù)的步驟如下：

1. 加載外設(shè)數(shù)據(jù)到內(nèi)存：外設(shè)數(shù)據(jù)首先被加載到內(nèi)存中，因?yàn)閮?nèi)存的速度最接近CPU。
2. 檢查Cache：CPU檢查Cache是否有需要的數(shù)據(jù)。
   • 如果命中，直接返回?cái)?shù)據(jù)。
   • 如果未命中，從內(nèi)存獲取數(shù)據(jù)（這里暫時(shí)不考慮MMU）。
3. 返回?cái)?shù)據(jù)：將數(shù)據(jù)返回給CPU。

二、認(rèn)識(shí)DMA

1、什么是DMA

DMA（Direct Memory Access）即直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)，通過(guò)內(nèi)部控制器實(shí)現(xiàn)內(nèi)存和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸。DMA的引入使得CPU可以專(zhuān)注于內(nèi)存數(shù)據(jù)的處理，而數(shù)據(jù)的搬運(yùn)工作由DMA硬件完成。

• 開(kāi)始傳輸時(shí)刻：DMA向CPU申請(qǐng)總線周期的占用時(shí)間。
• 結(jié)束傳輸時(shí)刻：DMA向CPU發(fā)送中斷請(qǐng)求，請(qǐng)求CPU處理數(shù)據(jù)。

2、DMA的工作模式、數(shù)據(jù)傳輸方式、尋址模式

工作模式：

• 直接模式：DMA直接從源地址到目的地址傳輸數(shù)據(jù)。
• FIFO模式：數(shù)據(jù)累計(jì)存儲(chǔ)在FIFO緩沖器中，達(dá)到閾值后一次性發(fā)送。

數(shù)據(jù)傳輸方式：

• 單字傳送：每次傳輸一個(gè)字或字節(jié)，傳輸后歸還總線控制權(quán)。
• 塊傳送：連續(xù)占用多個(gè)總線周期進(jìn)行批量傳送。

尋址模式：

• 增量尋址：發(fā)送完數(shù)據(jù)后，繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)地址的數(shù)據(jù)。
• 非增量尋址：需要軟件配置下一個(gè)數(shù)據(jù)的地址。

3、為什么要使用DMA

• 減輕CPU負(fù)擔(dān)：將固定任務(wù)交給DMA，提高系統(tǒng)效率。
• 提高吞吐率：DMA具備高效操作能力，提升IO效率。

三、DMA數(shù)據(jù)傳輸

1、準(zhǔn)備階段

• DMA控制器初始化：

  • 配置DMA內(nèi)存緩沖區(qū)的首地址。
  • 配置DMA傳輸方向。
  • 配置DMA交換量。

• 接口初始化：

  • I/O設(shè)備的尋址信息。

2、傳輸請(qǐng)求

3、數(shù)據(jù)傳送

• DMA控制器向總線發(fā)送讀/寫(xiě)命令，向I/O接口發(fā)響應(yīng)信號(hào)，數(shù)據(jù)交互由內(nèi)存和設(shè)備接口完成。

4、善后處理

• DMA控制器在傳輸結(jié)束時(shí)向CPU發(fā)送中斷，CPU重新接管總線控制權(quán)。

四、DMA保證與內(nèi)存中數(shù)據(jù)一致性方法

一、使用緩存一致性協(xié)議

• 硬件機(jī)制：如MESI協(xié)議，確保CPU緩存和內(nèi)存數(shù)據(jù)一致性。
• 緩存刷新和無(wú)效操作：軟件可以觸發(fā)緩存操作以確保數(shù)據(jù)一致性。

二、使用同步機(jī)制

• 中斷和輪詢：DMA傳輸完成后通過(guò)中斷或輪詢進(jìn)行數(shù)據(jù)一致性檢查。
• 信號(hào)量和互斥鎖：在多處理器或多線程環(huán)境中使用同步機(jī)制。

三、數(shù)據(jù)校驗(yàn)和錯(cuò)誤檢測(cè)

• 校驗(yàn)和計(jì)算：在傳輸前后計(jì)算校驗(yàn)和，確保數(shù)據(jù)完整性。
• 錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正碼（ECC）：支持ECC的系統(tǒng)可以檢測(cè)并糾正數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

四、合理的內(nèi)存管理和訪問(wèn)控制

• 內(nèi)存保護(hù)：通過(guò)設(shè)置內(nèi)存訪問(wèn)權(quán)限，限制DMA訪問(wèn)。
• 內(nèi)存分配和釋放：合理管理內(nèi)存，避免數(shù)據(jù)不一致和內(nèi)存泄漏。

通過(guò)以上方法，DMA可以有效地保證數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的一致性，提高系統(tǒng)的整體性能和可靠性。