01、什么是DMA
📢本篇将带领大家深刻理解DMA。
一、什么是DMA
DMA（直接内存访问）是一种技术，可以让数据在内存和设备之间直接传输，而不需要CPU全程参与。比如在读取硬盘文件或处理网络数据时，DMA就像一个智能搬运工，能自动把数据从一个存储区域搬到另一个区域，比如从硬盘直接送到内存里，或者在内存的不同位置之间搬移。
这样做的好处是，CPU不用一直盯着数据搬运这种重复性工作，可以腾出手来处理更重要的任务。比如当你用手机听歌时，DMA负责把歌曲文件从存储芯片传到内存，而CPU可以同时处理屏幕显示、触控操作等其他事情，这样手机就不会因为传输音乐文件而卡顿。
二、原理介绍
DMA（直接内存访问）就是让数据在不需要CPU参与的情况下直接传输。具体来说：
- 基本要素：
- 需要明确数据来源地址（源）
- 需要明确数据目的地地址（目标）
- 需要设定传输的数据量
- 传输类型共有四种：
- 外部设备 → 内存
- 内存 → 外部设备
- 内存 → 另一块内存
- 外部设备 → 另一个外部设备
- 工作原理：
- DMA控制器会临时接管电脑内部的"数据通道"（总线）
- 这个接管权限是CPU"授权"给DMA的
- 数据传输完成后，DMA会主动通知CPU："任务完成了，你可以收回控制权了"
简单来说，DMA就像快递公司的智能分拣系统——CPU只需要告诉它"从哪里运什么到哪里"，之后运输过程就完全自动化了，最后再通知CPU任务完成。这样CPU就能腾出手来做更重要的事情。
三、传输过程
DMA传输分为四个步骤：
1️⃣ DMA请求
- 开启DMA功能（打开时钟）
- 设置数据传输的起点地址（内存地址）和终点地址（设备地址）
- 定义要传输的数据量（如多少字节）
- 设置传输方向（内存→设备或设备→内存）、优先级（高/低）、数据块大小（字节/字/双字）
- 开启中断功能，并通知设备准备就绪
2️⃣ DMA响应
- DMA控制器检查当前是否有更高优先级任务被占用
- 向总线控制器申请接管总线使用权
- 等待CPU完成当前操作后释放总线控制权
- 确认获得总线使用权后，通知设备开始传输
3️⃣ DMA传输
- DMA控制器直接控制总线
- 数据在内存和外设之间自动传输（完全不经过CPU）
- 每次传输后自动更新地址指针和剩余计数
4️⃣ DMA结束
- 数据传输完成后释放总线控制权归还CPU
- 通知设备停止工作
- 触发中断信号唤醒CPU
- CPU处理后续操作（如检查传输结果或准备新任务）
整个过程就像快递运输：
设备（寄件人）提出需求 → 物流中心（DMA）申请运输通道 → 占用道路（总线）运送货物 → 送达后通知收件人并告知快递公司任务完成。
四、DMA导致的问题
DMA在提升效率的同时，也带来了数据同步问题。比如：
问题场景：
CPU在处理数据时，会先把数据存在"缓存"里（就像临时记事本），处理完再慢慢写回内存。
如果这时DMA（比如外设）突然要读取或写入同一块内存，就会出问题：
- DMA读到的是CPU还没写回的旧数据
- 或者DMA写入新数据后，CPU还在用旧缓存里的旧数据
解决方法： 需要让CPU和DMA的数据保持一致。有两种常用方案：
1️⃣ 一致性DMA（安全但慢）
原理：直接禁用缓存
- 把DMA用的内存区域标记为"不缓存"（就像告诉CPU："这块内存别用记事本，直接操作真实内存"）
- 申请内存时，系统会从预先留好的专用DMA内存池分配（比如设备树里设置的区域）
- 优点：简单可靠，全程数据一致
- 缺点：牺牲速度（因为不用缓存了），且占用内存资源时间长（通常从设备初始化一直保留到退出）
2️⃣ 流式DMA（灵活但复杂）
原理：动态刷新缓存
允许用普通内存（比如
- 写数据给DMA前：强制CPU把缓存里的修改刷新到内存（回写）
- DMA写完后：告诉CPU缓存的内容已过期，下次要用得重新从内存读（失效）
优点：速度快（能用缓存），内存灵活（可临时使用任意内存）
缺点：需要程序员仔细管理数据流向（比如明确告诉系统数据是"CPU→DMA"还是"DMA→CPU"）
现代处理器（如ARM）可能有自动辅助功能（比如ACP），能自动处理部分同步，让操作更简单
总结对比：
| 一致性DMA | 流式DMA | |
|---|---|---|
| 缓存处理 | 直接禁用缓存（全程不缓存） | 动态刷新/失效（保留缓存） |
| 内存来源 | 系统专用DMA内存池 | 普通内存（如kmalloc） |
| 生命周期 | 长期占用（驱动整个生命周期） | 短期临时使用 |
| 性能 | 较慢（不用缓存） | 较快（合理用缓存） |
| 复杂度 | 简单（无需手动同步） | 复杂（需管理数据流向） |