硬盘直接内存访问的目的是什么？

Question

乍一看，让硬盘独立写入RAM而没有CPU指令复制数据似乎是一个好主意，特别是考虑到异步网络的成功。但直接内存访问（DMA）上的Wikipedia article表明了这一点：

  

使用DMA，CPU可以从这个开销中解脱出来，并且可以在数据传输期间执行有用的任务（尽管DMA总线部分阻塞）。

我不明白公交线路是如何“部分阻挡”的。据推测，当时一个设备可以访问内存，然后看起来CPU实际上没有什么有用的工作。它会在第一次尝试读取未缓存的内存时被阻止，我预计在2 mb缓存的情况下会非常快。

释放CPU来执行其他任务的目标似乎是无偿的。硬盘DMA是否会在实践中促进任何性能提升？

Answer 1

1：PIO（编程IO）使CPU缓存崩溃。大多数情况下，从磁盘读取的数据不会立即处理。应用程序通常以大块读取数据，但PIO以较小的块（通常为64K IIRC）完成。因此，数据读取应用程序将等待直到大块已经传输，并且在从控制器取出之后不会从缓存中的较小块中受益。同时，其他应用程序将受到传输驱逐的大部分缓存的影响。这可以通过使用特殊指令来避免，这些指令指示CPU不要缓存数据，而是“直接”将其写入主存储器，但是我很确定这会降低复制循环的速度。因而受到的影响甚至超过了缓存捶打。

2：PIO，因为它在x86系统上实现，可能是大多数其他系统，与DMA相比真的很慢。问题不在于CPU不够快。问题源于总线和磁盘控制器的PIO模式的设计方式。如果我没弄错的话，CPU必须从所谓的IO端口读取每个字节（或使用32位PIO模式时的每个DWORD）。这意味着对于每个DWORD数据，端口的地址必须放在总线上，控制器必须通过将数据DWORD放在总线上来响应。然而，当使用DMA时，控制器可以利用总线和/或存储器控制器的全部带宽来传输突发数据。当然，优化这种传统PIO设计还有很大的空间。 DMA传输就是这样的优化。其他仍然被认为是PIO的解决方案也是可能的，但是它们仍然会遇到其他问题（例如上面提到的缓存抖动）。

3：内存和/或总线带宽不是大多数应用程序的限制因素，因此DMA传输不会停止任何操作。它可能会减慢一些应用程序的速度，但通常它几乎不会引起注意。在所有磁盘与总线和/或存储器控制器的带宽相比相当慢之后。提供＆gt;的“磁盘”（SSD，RAID阵列）。 500 MB / s真的很快。总线或内存子系统至少不能提供10倍的数量，必须来自石器时代。 OTOH PIO在传输数据块时完全停止了CPU。

Answer 2

我不知道我是否遗漏了什么。

假设我们没有DMA控制器。从“慢”设备到内存的每次传输都是针对CPU的循环

ask_for_a_block_to_device 
wait_until_device_answer (or change_task_and_be_interrupted_when_ready)
write_to_memory

因此CPU必须自己编写内存。块大块。

是否有必要使用CPU进行内存传输？不。我们使用另一种设备（或像DMA总线主控那样的机制）将数据传输到存储器或从存储器传输数据。

与此同时，CPU可能会做一些不同的事情：用缓存做事，甚至在很大一部分时间内访问内存的其他部分。

这是至关重要的部分：数据不会100％被传输，因为其他设备非常慢（与内存和CPU相比）。

尝试表示共享内存总线使用的示例（当CPU接收时，C，当被DMA接收时为C）

Memory Bus ----CCCCCCCC---D----CCCCCCCCCDCCCCCCCCC----D

正如您所看到的，内存一次只能加入一个设备。有时由CPU，有时由DMA控制器。 DMA很少次。

Answer 3

  

我不明白公交线路如何“部分阻挡”

在许多时钟周期的一段时间内，有些将被阻止，有些则不会。引用University of Melbourne：

  

Q2。什么是偷车？为什么会有偷车的周期？

     

A2。当DMA设备向内存或从内存传输数据时，它将会   （在大多数架构中）使用与CPU相同的总线   访问内存。如果CPU想要同时使用总线   作为DMA设备的时间，CPU将停止一个周期，因为   DMA设备具有更高的优先级。这是必要的，以防止   带有小DMA缓冲区的溢出。 （CPU永远不会出现超支。）

     

大多数现代CPU都有满足大多数内存引用的缓存   无需通过总线进入主存。因此DMA   对他们的影响要小得多。

即使在发生DMA块传输时CPU完全没有占用，也会比CPU必须在一个循环中将字节移入/移出I / O设备更快地发生。

Answer 4

磁盘控制器通常具有特殊的块传输指令，可以实现快速数据传输。它们还可以以突发方式传输数据，允许交叉的CPU总线访问。 CPU也倾向于以突发方式访问内存，缓存控制器在缓存行可用时填充缓存行，因此即使CPU可能被阻塞，最终结果只是缓存使用率下降，CPU实际上并没有停止。 / p>

Answer 5

计算机可以拥有多个DMA设备，这可能会带来一个性能提升。因此，使用DMA，您可以并行进行多次内存读取，而CPU不必执行所有开销。

Answer 6

无论如何都不会在CPU总线上进行处理。 CPU的发出指令可能会或可能不会触及内存。当它们这样做时，它们通常首先针对L1缓存进行解析，然后在尝试内存之前解析L2和L3。因此，DMA传输不会阻止处理。

即使CPU和DMA传输都需要内存，预计它们也不会访问内存中的相同字节。事实上，内存控制器可能同时处理这两个请求。

Answer 7

如果您使用的是Linux，则可以通过使用hdparm禁用DMA来轻松测试。效果是戏剧性的。