面试题：设备管理之DMA工作原理

Question

请详细阐述操作系统中设备DMA（直接内存访问）的工作原理，包括DMA控制器如何与设备、内存以及CPU协同工作，在数据传输过程中各部分的角色是什么？

Answer 1

DMA工作原理概述

直接内存访问（DMA）是一种允许外部设备（如硬盘、网卡等）直接与计算机内存进行数据传输的技术，无需CPU持续干预。这样可以大大减轻CPU的负担，使其能够同时处理其他任务，提高系统整体性能。

DMA控制器与设备、内存及CPU的协同工作

1. 初始化阶段
   • CPU参与：当需要进行数据传输时，CPU首先对DMA控制器进行编程。这包括设置传输数据的源地址（设备相关寄存器地址）、目标地址（内存地址）、传输字节数等参数。
   • 设备准备：设备（如磁盘驱动器）也需要做好传输准备，例如将数据从存储介质读取到设备内部的缓冲区。
2. 传输请求阶段
   • 设备发起：设备准备好传输数据后，向DMA控制器发送DMA请求信号（DRQ）。
   • DMA响应：DMA控制器收到请求后，如果自身未处于忙碌状态，且系统总线可用，就向设备发出DMA响应信号（DACK），同时向CPU发送总线请求信号（HRQ）。
3. 总线控制权交接阶段
   • CPU响应：CPU收到总线请求信号（HRQ）后，在当前总线周期结束时，向DMA控制器发出总线响应信号（HLDA），并释放系统总线的控制权。
   • DMA接管：DMA控制器接收到HLDA信号后，接管系统总线，开始控制数据传输。
4. 数据传输阶段
   • DMA控制：DMA控制器根据预先设置的源地址、目标地址和传输字节数，在设备与内存之间直接传输数据。每次传输一个数据块（通常由多个字节组成），无需CPU参与。
   • 设备角色：设备从自身缓冲区中按顺序输出数据到系统总线，DMA控制器将数据写入内存的指定位置；或者从内存指定位置读取数据，DMA控制器将数据传输到设备缓冲区。
   • 内存角色：内存作为数据的源或目的地，接收或提供数据给DMA控制器进行传输。
5. 传输结束阶段
   • 传输完成：当DMA控制器完成预定的数据传输量后，它向设备发出传输结束信号，同时撤销对CPU的总线请求信号（HRQ）。
   • CPU恢复控制：CPU收到撤销的HRQ信号后，重新获得系统总线的控制权。此时，DMA控制器可能会向CPU发送中断请求信号（IRQ），通知CPU数据传输已完成。
   • CPU后续处理：CPU响应中断，执行中断服务程序，对传输的数据进行后续处理，例如检查数据的完整性、更新相关的状态信息等。

各部分在数据传输过程中的角色

1. CPU
   • 初始化DMA：设置DMA控制器的参数，确定数据传输的源地址、目标地址和字节数等。
   • 让出总线：在DMA传输期间，暂时放弃系统总线控制权，以便DMA控制器进行数据传输。
   • 处理中断：传输完成后，CPU通过中断服务程序对传输结果进行处理。
2. DMA控制器
   • 协调传输：作为数据传输的核心协调者，负责在设备和内存之间建立直接的数据传输路径。
   • 控制传输：根据初始化设置的参数，控制数据传输的起始、过程和结束，确保数据准确无误地从源传输到目标。
3. 设备
   • 发起请求：准备好数据后，向DMA控制器发出传输请求。
   • 提供或接收数据：在DMA控制器的控制下，将自身缓冲区的数据发送到内存，或从内存接收数据存入自身缓冲区。
4. 内存
   • 存储数据：作为数据的存储场所，为设备提供数据或接收设备传来的数据。