DMA-直接存储器存取(dma是实现储存器与什么直接数据传送)
1、什么是DMA？
目前在块设备的 I/O 系统中，普遍采用直接存储器存取（Direct Memory Access，DMA）I/O控制方式，即DMA控制方式。
DMA控制方式是一种快速传送数据的机制，外部设备在 DMA控制器 的支持下直接与内存交换数据，在每个数据块传送的过程中不需要CPU的干预。
DMA控制器
DMA控制器是采用DMA方式的外部设备与系统总线之间的接口电路，主要用于高速I/O设备与主存之间成块的数据传送，由 主机与DMA控制器的接口、DMA控制器与块设备的接口 和 I/O控制逻辑 三部分组成。
DMA控制器与CPU共用地址总线、数据总线以及一些信号控制线。在进行直接内存数据交换时，DMA控制器接管CPU所管理的总线，控制外部设备与内存之间的成批数据传送，在所有数据传送完成后由CPU回收总线控制权。DMA控制方式减少了CPU对I/O过程的干预，从每传输一个字（字节）干预一次减少到每传输一个数据块干预一次，从而提高了传输的效率。
寄存器
为了实现主机与DMA控制器之间成块数据的直接交换，DMA控制器设置了4类寄存器：
（1）命令/状态寄存器（CR）
用于接收从 CPU发来的 I/O命令或控制信息，或者存放设备的状态
（2）内存地址寄存器（MAR）
在输入时（从设备传送到内存）存放数据在设备（如磁盘）的起始地址；在输出时（从内存传送到设备）存放数据在内存的源地址
（3）数据缓冲寄存器（DR）
用于暂存从设备到内存或从内存到设备的数据
（4）数据计数器（DC）
数据计数器也称为字计数器，用于记录本次要读/写的字（字节）数
2、DMA工作机制
DMA控制方式传送数据的过程可以分为三个阶段：预处理、数据传送、传送后处理。
预处理阶段
DMA控制器的命令/状态寄存器（CR）接收到CPU发出的I/O命令，将内存起始地址（输入数据到内存）或内存源地址（内存输出数据）写入内存地址寄存器（MAR），同时将要传送的字（字节）数存入字计数器（DC）。随后将外设中的源地址（或目标地址）直接送入 DMA控制器的I/O控制逻辑，然后启动DMA控制器进行数据传送。
数据传送阶段
CPU将总线控制权让给DMA控制器，并且在数据传送期间不再使用总线。DMA控制器按照内存地址寄存器（MAR）的指示，不断在设备与内存之间进行数据传输，并随时修改内存地址寄存器（MAR）和字计数器（DC）的值。
当一个数据块传输完毕或数据计数器的值减少到0时（所有数据都已传输完毕），传输停止并且向CPU发出中断信号。
传送后处理阶段
CPU响应DMA控制器的中断请求。如果数据传送完成，则转向相应的中断处理程序进行后续处理；如果还有数据需要传送，则按照相同方法重新启动剩余数据的传送。
在DMA控制方式中，CPU只是在每个数据块传输的开始和结束实施控制，在数据块的传输过程中则由DMA控制器控制。
3、DMA的实现
现代计算机操作系统较多地采用DMA控制器与DMA接口相分离的方式，也就是将广义的DMA控制器进一步划分为DMA控制器和DMA接口。
DMA控制器
将 申请和接管总线的控制权、发出传输命令和主存地址、控制DMA传输过程的起始和终止 等通用部分抽离，作为控制系统总线的设备之一为各DMA接口公用，并以集成芯片的形式装配在主板上。
DMA接口
DMA接口则实现与设备的连接和数据缓冲，反映设备的特定要求。
从连接模式上看，将DMA控制器与接口分离的方式，应用于有多台I/O设备连接需求的 多路型DMA控制器模式。I/O接口中含有数据缓冲寄存器或小容量缓冲寄存器，数据经接口与数据总线直接向主存传输，不经过DMA控制器（DMA控制器负责申请并接管总线）。DMA控制器就可以通用并便于集成化，不受具体设备特性的约束。
4、优势与局限性
使用DMA的优势
相对程序中断I/O每个字都需要中断CPU的工作方式相比，DMA控制方式在数据块传送完成后中断一次CPU，减少了CPU中断处理的次数。同时，DMA控制方式下的数据传送是在DMA控制器的控制下完成的，在每个数据库传送的过程中无须CPU的干预，减轻了CPU的开销（减少了CPU的工作量并缩短了CPU占用时间），从而提高了系统的效率。
使用DMA的局限性
DMA控制方式虽然能够满足高速数据传输的需求，但是每传送一个数据块都需要向CPU发出中断，并且每个数据块传送开始或结束时，CPU都要介入其中进行处理，以实现CPU与设备的并行操作，因此效率仍不够高。
另一方面，CPU发出的每条I/O指令只能读、写同一块内存区域中的连续数据块，不能满足复杂I/O操作的需求。
5、Scatter-Gather模式
DMA控制器在进行数据传输的过程中，要求源物理地址和目标物理地址必须是连续的。但是在现实计算机体系中，连续的存储器地址在物理上不一定是连续的（CPU以虚拟地址寻址），所以DMA传输可能要分成多次完成。DMA控制器在传输完一块物理上连续的数据后引起一次中断，然后再由CPU触发进行下一块物理存储空间上的数据传输，这种方式被称为 Block DMA。
与Block DMA方式相对应的是Scatter-Gather DMA（S-G DMA，分散/聚集模式）。Scatter-Gather DMA是对Block DMA的增强，通过减少重复的DMA传送请求来提高效率。Scatter-Gather DMA将物理上分散的多个不连续存储空间以链表（struct scatterlist，链表或数组实现）形式组织起来，然后通过一次DMA的传输操作在主存RMA和设备之间传输数据。
Scatter-Gather DAM在完成一块物理连续的数据传送后，不用发起CPU中断操作，而是根据链表来传输下一块物理存储空间上的数据，直到所有数据传输完毕后再发起一次中断。
作者：张小胜
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