DMA（Direct Memory Access）：直接内存访问

一、传统CPU存取数据

CPU不直接存取外设的原因主要有两点：

1. 速度差异：CPU的处理速度远高于外设，无法直接同步。
2. 格式多样性：外设数据格式种类繁多，需要转换才能被CPU处理。

传统CPU获取数据的步骤如下：

1. 加载外设数据到内存：外设数据首先被加载到内存中，因为内存的速度最接近CPU。
2. 检查Cache：CPU检查Cache是否有需要的数据。
   • 如果命中，直接返回数据。
   • 如果未命中，从内存获取数据（这里暂时不考虑MMU）。
3. 返回数据：将数据返回给CPU。

二、认识DMA

1、什么是DMA

DMA（Direct Memory Access）即直接存储器访问，通过内部控制器实现内存和外设之间的数据传输。DMA的引入使得CPU可以专注于内存数据的处理，而数据的搬运工作由DMA硬件完成。

• 开始传输时刻：DMA向CPU申请总线周期的占用时间。
• 结束传输时刻：DMA向CPU发送中断请求，请求CPU处理数据。

2、DMA的工作模式、数据传输方式、寻址模式

工作模式：

• 直接模式：DMA直接从源地址到目的地址传输数据。
• FIFO模式：数据累计存储在FIFO缓冲器中，达到阈值后一次性发送。

数据传输方式：

• 单字传送：每次传输一个字或字节，传输后归还总线控制权。
• 块传送：连续占用多个总线周期进行批量传送。

寻址模式：

• 增量寻址：发送完数据后，继续发送下一个地址的数据。
• 非增量寻址：需要软件配置下一个数据的地址。

3、为什么要使用DMA

• 减轻CPU负担：将固定任务交给DMA，提高系统效率。
• 提高吞吐率：DMA具备高效操作能力，提升IO效率。

三、DMA数据传输

1、准备阶段

• DMA控制器初始化：

  • 配置DMA内存缓冲区的首地址。
  • 配置DMA传输方向。
  • 配置DMA交换量。

• 接口初始化：

  • I/O设备的寻址信息。

2、传输请求

3、数据传送

• DMA控制器向总线发送读/写命令，向I/O接口发响应信号，数据交互由内存和设备接口完成。

4、善后处理

• DMA控制器在传输结束时向CPU发送中断，CPU重新接管总线控制权。

四、DMA保证与内存中数据一致性方法

一、使用缓存一致性协议

• 硬件机制：如MESI协议，确保CPU缓存和内存数据一致性。
• 缓存刷新和无效操作：软件可以触发缓存操作以确保数据一致性。

二、使用同步机制

• 中断和轮询：DMA传输完成后通过中断或轮询进行数据一致性检查。
• 信号量和互斥锁：在多处理器或多线程环境中使用同步机制。

三、数据校验和错误检测

• 校验和计算：在传输前后计算校验和，确保数据完整性。
• 错误检测和纠正码（ECC）：支持ECC的系统可以检测并纠正数据错误。

四、合理的内存管理和访问控制

• 内存保护：通过设置内存访问权限，限制DMA访问。
• 内存分配和释放：合理管理内存，避免数据不一致和内存泄漏。

通过以上方法，DMA可以有效地保证数据在内存中的一致性，提高系统的整体性能和可靠性。