01.?轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)，可以不用CPU嗎？

在計算機中，各個部件之間傳遞信息，是通過總線（公共通信干線，類似于高速公路）進行傳輸?shù)?。根?jù)傳遞信息的類型可分為數(shù)據(jù)總線（DB）、地址總線（AB）、控制總線（CB）；根據(jù)連接設(shè)備的類型，又可以分為主存總線、I/O總線。

CPU是計算機系統(tǒng)運作的核心部件，通過主存總線跟主存儲器（內(nèi)存）進行通信，通過I/O總線與多個外部設(shè)備（如硬盤、網(wǎng)卡等）進行通信，具有轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)、計算、控制程序轉(zhuǎn)移等很多功能。CPU無時不刻的在處理著大量的事務(wù)，但有些時候數(shù)據(jù)的復(fù)制和存儲相比于其它事務(wù)并沒有那么重要。

假如您正在電腦面前刷劇，CPU此時忙碌著處理視頻播放事務(wù)的計算任務(wù)；突然，您想把一個帶有U盤（外設(shè)A）文件數(shù)據(jù)拷貝到您的電腦的某個磁盤（外設(shè)B）上，這就給CPU觸發(fā)了一次中斷，需要CPU優(yōu)先處理文件數(shù)據(jù)拷貝（復(fù)制），從而影響了CPU處理播放視頻事務(wù)。

那有沒有可能讓數(shù)據(jù)從外設(shè)A拷貝到外設(shè)B時，讓CPU減少或甚至不參與消耗算力資源呢？

答案是肯定的！

解決思路就是：只要給外設(shè)A和外設(shè)B提供一條數(shù)據(jù)通路，直接讓數(shù)據(jù)由A拷貝到B 不經(jīng)過CPU的處理。

這就是大佬們設(shè)計的 DMA技術(shù)?，用于解決數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移過度消耗CPU資源的問題。有了DMA使CPU更專注于更加實用的操作–計算、控制等。

02.?DMA技術(shù)，如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)直接傳輸？

DMA，全稱Direct Memory Access，即直接存儲器訪問。

DMA定義：用來提供在外設(shè)和存儲器之間或者存儲器和存儲器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。無須CPU的干預(yù)，通過DMA數(shù)據(jù)可以快速地移動。這就節(jié)省了CPU的資源來做其他操作。

整個數(shù)據(jù)傳輸操作在一個 DMA 控制器（DMAC）的控制下進行的，CPU 除了在數(shù)據(jù)傳輸開始和結(jié)束時做一點處理外（開始和結(jié)束時候要做中斷處理），在傳輸過程中 CPU 可以繼續(xù)進行其他的工作。這樣在大部分時間里，CPU 計算和 I/O 操作都處于并行操作，使整個計算機系統(tǒng)的效率大大提高。

因此，DMA的作用就是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的直接傳輸，而去掉了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸需要CPU寄存器參與的環(huán)節(jié)。主要涉及四種情況（外設(shè)到內(nèi)存，內(nèi)存到外設(shè)，內(nèi)存到內(nèi)存，外設(shè)到外設(shè)）的數(shù)據(jù)傳輸，但本質(zhì)上是一樣的，都是從內(nèi)存的某一區(qū)域傳輸?shù)絻?nèi)存的另一區(qū)域（外設(shè)的數(shù)據(jù)寄存器本質(zhì)上就是內(nèi)存的一個存儲單元）。

DMA傳輸將數(shù)據(jù)從一個地址空間復(fù)制到另一個地址空間，提供在外設(shè)和存儲器之間或者存儲器和存儲器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。

03.?DMA技術(shù)，在Linux OS如何應(yīng)用？

而Linux OS提供了輪詢、I/O 中斷以及 DMA 傳輸這 3 種磁盤與主存之間的數(shù)據(jù)傳輸機制。

1）輪詢方式是基于死循環(huán)對 I/O 端口進行不斷檢測。

2）I/O 中斷方式是指當(dāng)數(shù)據(jù)到達時，磁盤主動向 CPU 發(fā)起中斷請求，由 CPU 自身負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸過程。

3）DMA 傳輸則在 I/O 中斷的基礎(chǔ)上引入了 DMA 磁盤控制器，由 DMA 磁盤控制器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸，降低了 I/O 中斷操作對 CPU 資源的大量消耗。

I/O 中斷方式

在 DMA 技術(shù)出現(xiàn)之前，應(yīng)用程序與磁盤之間的 I/O 操作都是通過 CPU 的中斷完成的。每次用戶進程讀取磁盤數(shù)據(jù)時，都需要 CPU 中斷，然后發(fā)起 I/O 請求等待數(shù)據(jù)讀取和拷貝完成，每次的 I/O 中斷都導(dǎo)致 CPU 的上下文切換：

1）用戶進程向 CPU 發(fā)起 read 系統(tǒng)調(diào)用讀取數(shù)據(jù)，由用戶態(tài)切換為內(nèi)核態(tài)，然后一直阻塞等待數(shù)據(jù)的返回。

2）CPU 在接收到指令以后對磁盤發(fā)起 I/O 請求，將磁盤數(shù)據(jù)先放入磁盤控制器緩沖區(qū)。

3）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成以后，磁盤向 CPU 發(fā)起 I/O 中斷。

4）CPU 收到 I/O 中斷以后將磁盤緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)，然后再從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶緩沖區(qū)。

5）用戶進程由內(nèi)核態(tài)切換回用戶態(tài)，解除阻塞狀態(tài)，然后等待 CPU 的下一個執(zhí)行時間鐘。

DMA傳輸方式

有了 DMA 磁盤控制器接管數(shù)據(jù)讀寫請求以后，CPU 從繁重的 I/O 操作中解脫，數(shù)據(jù)讀取操作的流程如下：

image

1）用戶進程向 CPU 發(fā)起 read 系統(tǒng)調(diào)用讀取數(shù)據(jù)，由用戶態(tài)切換為內(nèi)核態(tài)，然后一直阻塞等待數(shù)據(jù)的返回。

2）CPU 在接收到指令以后對 DMA 磁盤控制器發(fā)起調(diào)度指令。

3）DMA 磁盤控制器對磁盤發(fā)起 I/O 請求，將磁盤數(shù)據(jù)先放入磁盤控制器緩沖區(qū)，CPU 全程不參與此過程。

4）數(shù)據(jù)讀取完成后，DMA 磁盤控制器會接受到磁盤的通知，將數(shù)據(jù)從磁盤控制器緩沖區(qū)拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)。

5）DMA 磁盤控制器向 CPU 發(fā)出數(shù)據(jù)讀完的信號，由 CPU 負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶緩沖區(qū)。

6）用戶進程由內(nèi)核態(tài)切換回用戶態(tài)，解除阻塞狀態(tài)，然后等待 CPU 的下一個執(zhí)行時間鐘。

04.?總結(jié)

目前大多數(shù)的硬件設(shè)備，包括磁盤控制器、網(wǎng)卡、顯卡以及聲卡等都支持 DMA 技術(shù)。通過 DMA 和虛擬內(nèi)存技術(shù)，實現(xiàn)IO 設(shè)備跟用戶程序空間傳輸數(shù)據(jù)的過程中，減少數(shù)據(jù)拷貝次數(shù)，減少系統(tǒng)調(diào)用，實現(xiàn) CPU 的零參與，徹底消除 CPU 在這方面的負(fù)載。

編輯：黃飛

?