01.?轉移數據，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）進行傳輸的。根據傳遞信息的類型可分為數據總線（DB）、地址總線（AB）、控制總線（CB）；根據連接設備的類型，又可以分為主存總線、I/O總線。

CPU是計算機系統運作的核心部件，通過主存總線跟主存儲器（內存）進行通信，通過I/O總線與多個外部設備（如硬盤、網卡等）進行通信，具有轉移數據、計算、控制程序轉移等很多功能。CPU無時不刻的在處理著大量的事務，但有些時候數據的復制和存儲相比于其它事務并沒有那么重要。

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的計算任務；突然，您想把一個帶有U盤（外設A）文件數據拷貝到您的電腦的某個磁盤（外設B）上，這就給CPU觸發了一次中斷，需要CPU優先處理文件數據拷貝（復制），從而影響了CPU處理播放視頻事務。

那有沒有可能讓數據從外設A拷貝到外設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A和外設B提供一條數據通路，直接讓數據由A拷貝到B 不經過CPU的處理。

這就是大佬們設計的 DMA技術?，用于解決數據轉移過度消耗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，如何實現數據直接傳輸？

DMA，全稱Direct Memory Access，即直接存儲器訪問。

DMA定義：用來提供在外設和存儲器之間或者存儲器和存儲器之間的高速數據傳輸。無須CPU的干預，通過DMA數據可以快速地移動。這就節省了CPU的資源來做其他操作。

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

因此，DMA的作用就是實現數據的直接傳輸，而去掉了傳統數據傳輸需要CPU寄存器參與的環節。主要涉及四種情況（外設到內存，內存到外設，內存到內存，外設到外設）的數據傳輸，但本質上是一樣的，都是從內存的某一區域傳輸到內存的另一區域（外設的數據寄存器本質上就是內存的一個存儲單元）。

DMA傳輸將數據從一個地址空間復制到另一個地址空間，提供在外設和存儲器之間或者存儲器和存儲器之間的高速數據傳輸。

03.?DMA技術，在Linux OS如何應用？

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據傳輸機制。

1）輪詢方式是基于死循環對 I/O 端口進行不斷檢測。

2）I/O 中斷方式是指當數據到達時，磁盤主動向 CPU 發起中斷請求，由 CPU 自身負責數據的傳輸過程。

3）DMA 傳輸則在 I/O 中斷的基礎上引入了 DMA 磁盤控制器，由 DMA 磁盤控制器負責數據的傳輸，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 技術出現之前，應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據時，都需要 CPU 中斷，然后發起 I/O 請求等待數據讀取和拷貝完成，每次的 I/O 中斷都導致 CPU 的上下文切換：

1）用戶進程向 CPU 發起 read 系統調用讀取數據，由用戶態切換為內核態，然后一直阻塞等待數據的返回。

2）CPU 在接收到指令以后對磁盤發起 I/O 請求，將磁盤數據先放入磁盤控制器緩沖區。

3）數據準備完成以后，磁盤向 CPU 發起 I/O 中斷。

4）CPU 收到 I/O 中斷以后將磁盤緩沖區中的數據拷貝到內核緩沖區，然后再從內核緩沖區拷貝到用戶緩沖區。

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

DMA傳輸方式

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

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1）用戶進程向 CPU 發起 read 系統調用讀取數據，由用戶態切換為內核態，然后一直阻塞等待數據的返回。

2）CPU 在接收到指令以后對 DMA 磁盤控制器發起調度指令。

3）DMA 磁盤控制器對磁盤發起 I/O 請求，將磁盤數據先放入磁盤控制器緩沖區，CPU 全程不參與此過程。

4）數據讀取完成后，DMA 磁盤控制器會接受到磁盤的通知，將數據從磁盤控制器緩沖區拷貝到內核緩沖區。

5）DMA 磁盤控制器向 CPU 發出數據讀完的信號，由 CPU 負責將數據從內核緩沖區拷貝到用戶緩沖區。

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

04.?總結

目前大多數的硬件設備，包括磁盤控制器、網卡、顯卡以及聲卡等都支持 DMA 技術。通過 DMA 和虛擬內存技術，實現IO 設備跟用戶程序空間傳輸數據的過程中，減少數據拷貝次數，減少系統調用，實現 CPU 的零參與，徹底消除 CPU 在這方面的負載。

編輯：黃飛

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