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DMA是一种无需CPU的参与就可以让外设与系统RAM之间进行双向(to device 或 from device)数据传输的硬件机制。使用DMA可以使系统CPU从实际的I/O数据传输过程中摆脱出来,从而大大提高系统的吞吐率(throughput)。
由于DMA是一种硬件机制,因此它通常与硬件体系结构是相关的,尤其是依赖于外设的总线技术。比如:ISA卡的DMA机制就与PCI卡的DMA机制有区别。本站主要讨论ISA总线的DMA技术。
1.DMA概述
DMA是外设与主存之间的一种数据传输机制。一般来说,外设与主存之间存在两种数据传输方法:(1)Pragrammed I/O(PIO)方法,也即由CPU通过内存读写指令或I/O指令来持续地读写外设的内存单元(8位、16位或32位),直到整个数据传输过程完成。(2)DMA,即由DMA控制器(DMA Controller,简称DMAC)来完成整个数据传输过程。在此期间,CPU可以并发地执行其他任务,当DMA结束后,DMAC通过中断通知CPU数据传输已经结束,然后由CPU执行相应的ISR进行后处理。
DMA技术产生时正是ISA总线在PC中流行的时侯。因此,ISA卡的DMA数据传输是通过ISA总线控制芯片组中的两个级联8237 DMAC来实现的。这种DMA机制也称为“标准DMA”(standard DMA)。标准DMA有时也称为“第三方DMA”(third-party DMA),这是因为:系统DMAC完成实际的传输过程,所以它相对于传输过程的“前两方”(传输的发送者和接收者)来说是“第三方”。
标准DMA技术主要有两个缺点:(1)8237 DMAC的数据传输速度太慢,不能与更高速的总线(如PCI)配合使用。(2)两个8237 DMAC一起只提供了8个DMA通道,这也成为了限制系统I/O吞吐率提升的瓶颈。
鉴于上述两个原因,PCI总线体系结构设计一种成为“第一方DMA”(first-party DMA)的DMA机制,也称为“Bus Mastering”(总线主控)。在这种情况下,进行传输的PCI卡必须取得系统总线的主控权后才能进行数据传输。实际的传输也不借助慢速的ISA DMAC来进行,而是由内嵌在PCI卡中的DMA电路(比传统的ISA DMAC要快)来完成。Bus Mastering方式的DMA可以让PCI外设得到它们想要的传输带宽,因此它比标准DMA功能满足现代高性能外设的要求。
随着计算机外设技术的不断发展,现代能提供更快传输速率的Ultra DMA(UDMA)也已经被广泛使用了。本为随后的篇幅只讨论ISA总线的标准DMA技术在Linux中的实现。记住:ISA卡几乎不使用Bus Mastering模式的DMA;而PCI卡只使用Bus Mastering模式的DMA,它从不使用标准DMA。
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