《直接存儲(chǔ)器訪問》課件

直接存儲(chǔ)器訪問什么是直接存儲(chǔ)器訪問?直接存儲(chǔ)器訪問(DMA)一種允許外設(shè)直接訪問內(nèi)存，無需CPU中介的機(jī)制。數(shù)據(jù)傳輸DMA使外設(shè)能夠直接讀取或?qū)懭雰?nèi)存數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。直接存儲(chǔ)器訪問的工作原理1CPU請(qǐng)求CPU向DMA控制器發(fā)出DMA請(qǐng)求2DMA控制器DMA控制器接收請(qǐng)求并控制數(shù)據(jù)傳輸3數(shù)據(jù)傳輸DMA控制器直接從外設(shè)或內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，寫入目標(biāo)內(nèi)存或外設(shè)4傳輸完成傳輸完成后，DMA控制器通知CPU直接存儲(chǔ)器訪問的特點(diǎn)1高速數(shù)據(jù)傳輸直接存儲(chǔ)器訪問能夠以高速度將數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)絻?nèi)存中，無需經(jīng)過CPU的干預(yù)，從而提高數(shù)據(jù)傳輸效率。2CPU負(fù)擔(dān)減輕通過將數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)交給DMA控制器，CPU可以專注于執(zhí)行其他任務(wù)，有效降低CPU的負(fù)擔(dān)。3提高系統(tǒng)吞吐量直接存儲(chǔ)器訪問能夠提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速度，從而提升系統(tǒng)的整體吞吐量，并提高系統(tǒng)性能。直接存儲(chǔ)器訪問的作用直接存儲(chǔ)器訪問可以提升數(shù)據(jù)傳輸速度，減少CPU的負(fù)擔(dān)。直接存儲(chǔ)器訪問可以提高系統(tǒng)效率，減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t。直接存儲(chǔ)器訪問可以擴(kuò)展系統(tǒng)功能，支持更復(fù)雜的硬件配置。直接存儲(chǔ)器訪問的優(yōu)點(diǎn)提高系統(tǒng)性能直接存儲(chǔ)器訪問直接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)存，繞過了CPU的中間環(huán)節(jié)，從而提高數(shù)據(jù)傳輸效率，提升系統(tǒng)性能。減輕CPU負(fù)擔(dān)直接存儲(chǔ)器訪問將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)委托給DMA控制器，釋放了CPU來執(zhí)行其他任務(wù)，降低了CPU的負(fù)擔(dān)。提高數(shù)據(jù)吞吐量直接存儲(chǔ)器訪問可以連續(xù)傳輸大量數(shù)據(jù)，無需CPU的介入，從而提高數(shù)據(jù)傳輸效率，增加數(shù)據(jù)吞吐量。直接存儲(chǔ)器訪問的應(yīng)用場景數(shù)據(jù)采集在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，DMA可以用于將來自傳感器或其他設(shè)備的數(shù)據(jù)快速地傳送到內(nèi)存中，以進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。圖像處理DMA可以用于將圖像數(shù)據(jù)從攝像頭或其他圖像采集設(shè)備傳送到內(nèi)存中，以進(jìn)行圖像處理和顯示。網(wǎng)絡(luò)通信DMA可以用于將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包從網(wǎng)絡(luò)接口卡傳送到內(nèi)存中，以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)處理。DMA控制器的組成DMA控制器是負(fù)責(zé)管理和執(zhí)行直接內(nèi)存訪問操作的硬件電路。DMA控制器通常由以下幾個(gè)主要部分組成：地址產(chǎn)生器：負(fù)責(zé)產(chǎn)生源地址和目標(biāo)地址，用于數(shù)據(jù)傳輸過程中的地址訪問。數(shù)據(jù)緩沖區(qū)：用于暫存從外設(shè)讀取或向外設(shè)寫入的數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性。計(jì)數(shù)器：用于記錄已傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?。控制邏輯：?fù)責(zé)控制DMA傳輸?shù)膯?dòng)、停止、暫停、以及錯(cuò)誤處理等操作。中斷邏輯：用于在DMA傳輸完成后或發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)向CPU發(fā)出中斷信號(hào)。DMA傳輸?shù)墓ぷ髁鞒?設(shè)備請(qǐng)求外設(shè)向DMA控制器發(fā)送請(qǐng)求，要求傳輸數(shù)據(jù)。2DMA控制器接收請(qǐng)求DMA控制器接收外設(shè)的請(qǐng)求并檢查是否滿足傳輸條件。3設(shè)置傳輸參數(shù)DMA控制器設(shè)置傳輸參數(shù)，包括源地址、目標(biāo)地址、傳輸長度等。4數(shù)據(jù)傳輸DMA控制器直接控制數(shù)據(jù)從源地址到目標(biāo)地址的傳輸。5傳輸完成數(shù)據(jù)傳輸完成后，DMA控制器通知外設(shè)傳輸完成。DMA傳輸?shù)念愋蛦瓮ǖ繢MA一次只允許一個(gè)外設(shè)進(jìn)行DMA傳輸。多通道DMA允許多個(gè)外設(shè)同時(shí)進(jìn)行DMA傳輸，提高系統(tǒng)效率。單通道DMA和多通道DMA1單通道DMA一次只能處理一個(gè)外設(shè)的傳輸請(qǐng)求。2多通道DMA可以同時(shí)處理多個(gè)外設(shè)的傳輸請(qǐng)求，提高效率。DMA傳輸?shù)闹俨梅绞焦潭▋?yōu)先級(jí)每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)固定的優(yōu)先級(jí),優(yōu)先級(jí)高的設(shè)備可以先訪問總線。輪詢按順序輪流分配總線訪問權(quán),每個(gè)設(shè)備都有機(jī)會(huì)訪問總線。競爭設(shè)備之間通過競爭來獲得總線訪問權(quán),獲勝的設(shè)備可以訪問總線。DMA傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊大小數(shù)據(jù)塊大小描述字節(jié)DMA傳輸中最小的數(shù)據(jù)單位，通常為1字節(jié)或2字節(jié)。字CPU數(shù)據(jù)總線一次傳輸?shù)膯挝?，通常?字節(jié)或4字節(jié)。塊一次DMA傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，可以是多個(gè)字節(jié)、字或頁。頁內(nèi)存管理單元的最小管理單位，通常為4KB。DMA傳輸?shù)墓ぷ髂Ｊ絾未蝹鬏擠MA控制器一次性傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)塊，然后等待下一個(gè)傳輸請(qǐng)求。鏈?zhǔn)絺鬏擠MA控制器在傳輸完一個(gè)數(shù)據(jù)塊后，自動(dòng)開始傳輸下一個(gè)數(shù)據(jù)塊，直到所有數(shù)據(jù)塊都傳輸完畢。循環(huán)傳輸DMA控制器在傳輸完一個(gè)數(shù)據(jù)塊后，回到起始地址，循環(huán)傳輸數(shù)據(jù)。DMA傳輸?shù)恼?qǐng)求和響應(yīng)1請(qǐng)求外設(shè)向DMA控制器發(fā)出請(qǐng)求，需要傳輸數(shù)據(jù)2確認(rèn)DMA控制器確認(rèn)請(qǐng)求，開始傳輸數(shù)據(jù)3響應(yīng)DMA控制器完成傳輸后，向外設(shè)發(fā)送響應(yīng)DMA傳輸?shù)牡刂樊a(chǎn)生地址生成器DMA控制器包含地址生成器，用于產(chǎn)生訪問內(nèi)存和外設(shè)的物理地址。地址計(jì)數(shù)器地址計(jì)數(shù)器根據(jù)傳輸模式和數(shù)據(jù)塊大小自動(dòng)遞增或遞減，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的內(nèi)存或外設(shè)地址訪問。DMA傳輸?shù)慕K止條件傳輸完成標(biāo)志當(dāng)DMA控制器將數(shù)據(jù)全部傳輸完成時(shí)，會(huì)設(shè)置一個(gè)傳輸完成標(biāo)志。數(shù)據(jù)塊計(jì)數(shù)器DMA控制器使用一個(gè)數(shù)據(jù)塊計(jì)數(shù)器來跟蹤已傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，當(dāng)計(jì)數(shù)器歸零時(shí)，表示傳輸完成。外部中斷一些DMA控制器可以使用外部中斷信號(hào)來指示傳輸完成。直接存儲(chǔ)器訪問的寄存器1DMA控制寄存器配置DMA控制器的工作模式，例如數(shù)據(jù)傳輸方向、傳輸大小等。2DMA狀態(tài)寄存器反映DMA控制器當(dāng)前的狀態(tài)，例如是否正在傳輸數(shù)據(jù)、傳輸進(jìn)度等。3DMA地址寄存器保存DMA傳輸?shù)脑吹刂泛湍繕?biāo)地址。4DMA計(jì)數(shù)器記錄DMA傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，用于判斷傳輸是否完成。DMA控制寄存器的配置寄存器地址每個(gè)DMA控制器都有一個(gè)唯一的地址空間，用于訪問其控制寄存器。寄存器功能控制寄存器包括：傳輸方向、數(shù)據(jù)塊大小、數(shù)據(jù)傳輸類型、地址產(chǎn)生方式、終止條件等。寄存器操作通過向控制寄存器寫入數(shù)據(jù)，可以設(shè)置DMA傳輸?shù)膮?shù)和啟動(dòng)傳輸操作。內(nèi)存到內(nèi)存的DMA傳輸數(shù)據(jù)來源數(shù)據(jù)從一個(gè)內(nèi)存地址讀取數(shù)據(jù)目標(biāo)數(shù)據(jù)寫入到另一個(gè)內(nèi)存地址DMA控制器DMA控制器管理數(shù)據(jù)傳輸過程外設(shè)到內(nèi)存的DMA傳輸1外設(shè)數(shù)據(jù)讀取外設(shè)從其內(nèi)部存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)。2DMA控制器寫入DMA控制器將外設(shè)數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存地址。3內(nèi)存存儲(chǔ)數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在內(nèi)存中，供CPU訪問。內(nèi)存到外設(shè)的DMA傳輸1內(nèi)存數(shù)據(jù)來源2DMA控制器傳輸控制3外設(shè)數(shù)據(jù)接收該模式下，DMA控制器將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵庠O(shè)，例如，將數(shù)據(jù)從內(nèi)存緩沖區(qū)傳輸?shù)接脖P控制器，用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。DMA傳輸?shù)男阅芊治鰝鹘y(tǒng)CPU訪問DMA傳輸DMA傳輸?shù)陌踩珕栴}DMA傳輸可能遭受惡意攻擊，導(dǎo)致數(shù)據(jù)泄露或系統(tǒng)崩潰。DMA傳輸?shù)腻e(cuò)誤配置或程序漏洞可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障。為了確保DMA傳輸?shù)陌踩?，需要采取相?yīng)的安全措施，例如訪問控制、數(shù)據(jù)加密等。DMA傳輸?shù)膽?yīng)用實(shí)例硬盤數(shù)據(jù)傳輸DMA用于將硬盤上的數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)絻?nèi)存，提高數(shù)據(jù)讀取速度。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸DMA用于將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包從網(wǎng)卡快速傳輸?shù)絻?nèi)存，提高網(wǎng)絡(luò)性能。圖形數(shù)據(jù)傳輸DMA用于將圖形數(shù)據(jù)從顯卡快速傳輸?shù)絻?nèi)存，提高圖形渲染速度。DMA傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢高速化隨著硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，DMA傳輸?shù)乃俣炔粩嗵嵘?，可以滿足更高性能的要求。智能化DMA控制器逐漸加入智能化的功能，例如自動(dòng)地址生成、錯(cuò)誤檢測和糾正等，提升了DMA傳輸?shù)男屎涂煽啃?。虛擬化在云計(jì)算環(huán)境中，DMA傳輸技術(shù)正在向虛擬化方向發(fā)展，以支持多用戶共享DMA控制器。課程小結(jié)和重點(diǎn)回顧1直接存儲(chǔ)器訪問直接存儲(chǔ)器訪問（DMA）是一種數(shù)據(jù)傳輸方式，它允許外設(shè)直接訪問內(nèi)存，無需CPU中介。2DMA控制器DMA控制器是實(shí)現(xiàn)DMA傳輸?shù)年P(guān)鍵組件，負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)傳輸過程。3DMA傳輸類型常見的DMA傳輸類型包括內(nèi)存到內(nèi)存、外設(shè)到內(nèi)存和內(nèi)存到外設(shè)。4DMA傳輸應(yīng)用DMA傳輸在各種應(yīng)用中發(fā)揮重要作用，例如磁盤讀寫、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸