CPU处理简单重复的数据传输太浪费了，因此设计了DMA，什么是DMA？它传输数据比CPU快吗？

在C语言程序开发中，常常需要将内存中的数据从地址A拷贝到地址B，虽说 CPU 访问内存的速度非常快，但是拷贝总归是要消耗 CPU 时间的。如果需要拷贝的数据比较长，那么拷贝动作将会消耗相当多的 CPU 时间，在此期间，CPU 不能做任何别的事情。

粗略来看，数据的拷贝过程并不复杂，无非就是寻址+写入数据，CPU 把时间花在处理这样的“简单重复劳动”上就太浪费了，因此，DMA 就被设计出来了。

DMA 简介

DMA 的英文全称是 direct memory access，直译过来就是“直接存储器存取”的意思，是计算机系统的一个特性。正如前文所讨论的，DMA 允许某些硬件子系统读写系统存储器，而不依赖于 CPU。简单来说，就是可以在不占用 CPU 时间的情况下，实现数据在存储器间传输（拷贝，移动等）。

在没有 DMA 的情况下，CPU 在处理数据的输入/输出时，通常会在数据读写器件完全被占用，因而无法执行其他工作。相反，如果系统有 DMA，CPU 只需完成数据传输的初始化，接下来的数据传输完全由 DMAC（DMA controller，DMA 控制器）实现，CPU 可以在数据传输过程中执行其他操作。

如果计算量很大，CPU 可能无法跟上数据传输的速率，那么 DMA 的存在可以让 CPU 专心处理数据的计算，而无需再抽空执行数据传输操作，这无疑可以提升系统的效率。另一方面，对于相对较慢的 I/O 数据，CPU 也无需再花时间等待数据传输完成。

如今 DMA 已被广泛用于各种硬件系统，包括磁盘驱动器控制器、显卡、网卡和声卡。DMA 还用于多核 CPU 中的芯片内数据传输。有 DMA 通道的计算机在传输数据时，CPU 开销要小得多。类似地，多核 CPU 内的处理元件可以在不占用 CPU 时间的情况下向本地存储器传输数据，从而允许并行进行计算和数据传输。

此外， DMA 还可用于“存储器到存储器”的复制或移动，可以将较大开销的内存操作（如大拷贝或分散收集操作）从 CPU 转为专用的 DMA。简言之，DMA 在片上网络和存储器计算体系结构中具有重要意义。

DMA 控制器

到这里，读者应该明白 DMA 是一个好用的数据传输系统，但真正控制数据传输的其实是 DMA 控制器。DMA 控制器可以生成内存地址并启动存储器读写周期，一般具有若干个硬件寄存器，包括存储器地址寄存器、字节计数寄存器以及控制寄存器。

CPU 通过读写这些硬件寄存器控制 DMA 控制器实现数据传输，一般要指定数据的来源，要传往的目的地，以及传输方向（从 I/O 设备读取或者写入）、传输单元的大小。CPU 通过寄存器完成这些设置项后，即可命令外围设备启动数据传输，DMA 控制器会自动增加其内部地址寄存器，直到传输完整的数据块。

当外围设备成为数据总线主设备时，DMA 可以将数据直接写入系统内存，而无需 CPU 的参与，也因为如此，C语言程序员需要提供一些措施，以避免发生总线抢占冲突。DMA 可以一次只传输一个字节，也可以在 burst 模式（突发模式）下一次传输所有字节。如果是前者，CPU 在交替的总线周期上访问内存。

缓存一致性问题

DMA 并不是只有好处没有坏处的。现代 CPU 大都带有高速缓存（存取速度远高于外部内存），CPU 访问外部内存某个地址的时候，暂时先将新的值写入高速缓存中，如果 CPU 还未来得及将外部内存数据更新，DMA 操作的是外部内存的数据，将读取到未更新（但实际上已经更新）的数据。

类似的，如果通过 DMA 将外部设备产生的新数据写到外部内存内，而 CPU 从高速缓存里读取数据将得到尚未更新的数据。一般来说，这样的问题有两种方法可以解决：

基于缓存同调系统（Cache-coherent system），也即以硬件方法解决，当设备将数据写到外部内存时，以一个信号来通知高速缓存控制器更新数据。
非同调系统，也即以软件方法完成，操作系统必须确认缓存读取时，DMA 已经完成或者已经被禁止。显然，这种方法会增加 DMA系统的负担。

DMA 传输数据比 CPU 更快吗？

这其实是一个奇怪的问题。之所以有这个小标题，是因为在我的上一篇文章讨论C语言库函数 memcpy() 为什么高效率时，有读者痛批我胡言乱语，认为 memcpy() 效率高是因为有 DMA 介入。

经过前面的介绍，相信读者已经明白 DMA 其实就是方便数据传输的一个系统而已，它可以不依赖 CPU 传输数据。但是这样的特性并不能说明它传输数据就一定比 CPU 传输快。严格来说，二者传输数据并无明确的效率对比，但是结合实际应用，可以分以下两种情况考虑：

CPU 比 DMA 快。
如果 CPU 是空闲的，系统内仅有数据传输任务，或者数据传输任务的优先级最高，并且系统中断被禁止，简言之，就是如果 CPU 可以专心执行数据传输工作，那么 CPU 传输数据肯定比 DMA 快。因为一般来说，CPU 时钟要比总线（例如 ARM 中的 AHB）时钟快得多，而 DMA 是使用总线时钟的。
DMA 比 CPU 块。
在有操作系统的系统中，很难保证数据传输任务独享 CPU，此时 CPU 可能需要花大把时间处理数据传输任务之外的任务，综合来看，DMA 传输数据的速率就可能会比 CPU 传输数据的速率高了。