DMA控制器
前言
大家好,我是jiantaoyab,这是我作为学习笔记的25篇,本篇文章给大家介绍DMA。
无论 I/O 速度如何提升,比起 CPU,总还是太慢。如果我们对于 I/O 的操作,都是由 CPU 发出对应的指令,然后等待 I/O 设备完成操作之后返回,那 CPU 有大量的时间其实都是在等待 I/O 设备完成操作。
但是,这个 CPU 的等待,在很多时候,其实并没有太多的实际意义。我们对于 I/O 设备的大量操作,其实都只是把内存里面的数据,传输到 I/O 设备而已,特别是当传输的数据量比较大的时候,比如进行大文件复制,如果所有数据都要经过 CPU,实在是有点儿太浪费时间了。
因此,计算机工程师们,就发明了 DMA 技术,也就是直接内存访问(Direct Memory Access)技术,来减少 CPU 等待的时间。
理解 DMA,一个协处理器
DMA 技术就是在主板上放一块独立的芯片。在进行内存和 I/O 设备的数据传输的时候,不再通过 CPU 来控制数据传输,而直接通过DMA 控制器(DMA Controller,简称 DMAC)。这块芯片,我们可以认为它其实就是一个协处理器(Co-Processor)。
DMAC 最有价值的地方体现在,当我们要传输的数据特别大、速度特别快,或者传输的数据特别小、速度特别慢的时候。
比如说,我们用千兆网卡或者硬盘传输大量数据的时候,如果都用 CPU 来搬运的话,肯定忙不过来,所以可以选择 DMAC。而当数据传输很慢的时候,DMAC 可以等数据到齐了,再发送信号,给到 CPU 去处理,而不是让 CPU 在那里等待。
DMAC 是在“协助”CPU,完成对应的数据传输工作。在 DMAC 控制数据传输的过程中,我们还是需要 CPU 的。
除此之外,DMAC 其实也是一个特殊的 I/O 设备,它和 CPU 以及其他 I/O 设备一样,通过连接到总线来进行实际的数据传输。
总线上的设备,其实有两种类型。一种我们称之为主设备(Master),另外一种,我们称之为从设备(Slave)。
想要主动发起数据传输,必须要是一个主设备才可以,CPU 就是主设备。而从设备(比如硬盘)只能接受数据传输。
所以,如果通过 CPU 来传输数据,要么是 CPU 从 I/O 设备读数据,要么是 CPU 向 I/O 设备写数据。
那 I/O 设备不能向主设备发起请求么?可以是可以,不过这个发送的不是数据内容,而是控制信号。I/O 设备可以告诉 CPU,我这里有数据要传输给你,但是实际数据是 CPU 从拉走的,而不是 I/O 设备推给 CPU 的。
不过DMAC 它既是一个主设备,又是一个从设备。对于 CPU 来说,它是一个从设备;对于硬盘这样的 IO 设备来说呢,它又变成了一个主设备。
那使用 DMAC 进行数据传输的过程究竟是什么样的呢?下面我们来具体看看。
- 首先,CPU 还是作为一个主设备,向 DMAC 设备发起请求。这个请求,其实就是在 DMAC 里面修改配置寄存器。
- CPU 修改 DMAC 的配置的时候,会告诉 DMAC 这样几个信息:
- 首先是源地址的初始值以及传输时候的地址增减方式。
所谓源地址,就是数据要从哪里传输过来。如果我们要从内存里面写入数据到硬盘上,那么就是要读取的数据在内存里面的地址。如果是从硬盘读取数据到内存里,那就是硬盘的 I/O 接口的地址。I/O 的地址可以是一个内存地址,也可以是一个端口地址。而地址的增减方式就是说,数据是从大的地址向小的地址传输,还是从小的地址往大的地址传输。 - 其次是目标地址初始值和传输时候的地址增减方式。目标地址自然就是和源地址对应的设备,也就是我们数据传输的目的地。
- 第三个自然是要传输的数据长度,也就是我们一共要传输多少数据。
-
设置完这些信息之后,DMAC 就会变成一个空闲的状态(Idle)。
-
如果我们要从硬盘上往内存里面加载数据,这个时候,硬盘就会向 DMAC 发起一个数据传输请求。这个请求并不是通过总线,而是通过一个额外的连线。
-
然后,我们的 DMAC 需要再通过一个额外的连线响应这个申请。
-
于是,DMAC 这个芯片,就向硬盘的接口发起要总线读的传输请求。数据就从硬盘里面,读到了 DMAC 的控制器里面。
-
然后,DMAC 再向我们的内存发起总线写的数据传输请求,把数据写入到内存里面。
-
DMAC 会反复进行上面第 6、7 步的操作,直到 DMAC 的寄存器里面设置的数据长度传输完成。
-
数据传输完成之后,DMAC 重新回到第 3 步的空闲状态。
所以,整个数据传输的过程中,不是通过 CPU 来搬运数据,而是由 DMAC 这个芯片来搬运数据。但是 CPU 在这个过程中也是必不可少的。因为传输什么数据,从哪里传输到哪里,其实还是由 CPU 来设置的。这也是为什么,DMAC 被叫作“协处理器”。
最早,计算机里是没有 DMAC 的,所有数据都是由 CPU 来搬运的。
随着对于数据传输的需求越来越多,先是出现了主板上独立的 DMAC 控制器。到了今天,各种 I/O 设备越来越多,数据传输的需求越来越复杂,使用的场景各不相同。加之显示器、网卡、硬盘对于数据传输的需求都不一样,所以各个设备里面都有自己的 DMAC 芯片了。
Kafka 的实现原理
过去几年的大数据浪潮里面有一个开源项目很好地利用了 DMA 的数据传输方式,通过 DMA 的方式实现了非常大的性能提升。这个项目就是Kafka。
Kafka 是一个用来处理实时数据的管道,我们常常用它来做一个消息队列,或者用来收集和落地海量的日志。作为一个处理实时数据和日志的管道,瓶颈自然也在 I/O 层面。
Kafka 里面会有两种常见的海量数据传输的情况。一种是从网络中接收上游的数据,然后需要落地到本地的磁盘上,确保数据不丢失。另一种情况则是从本地磁盘上读取出来,通过网络发送出去。
我们来看一看后一种情况,从磁盘读数据发送到网络上去。如果我们自己写一个简单的程序,最直观的办法,自然是用一个文件读操作,从磁盘上把数据读到内存里面来,然后再用一个 Socket,把这些数据发送到网络上去。
在这个过程中,数据一共发生了四次传输的过程。其中两次是 DMA 的传输,另外两次,则是通过 CPU 控制的传输。下面我们来具体看看这个过程。
第一次传输,是从硬盘上,读到操作系统内核的缓冲区里。这个传输是通过 DMA 搬运的。
第二次传输,需要从内核缓冲区里面的数据,复制到我们应用分配的内存里面。这个传输是通过 CPU 搬运的。
第三次传输,要从我们应用的内存里面,再写到操作系统的 Socket 的缓冲区里面去。这个传输,还是由 CPU 搬运的。
最后一次传输,需要再从 Socket 的缓冲区里面,写到网卡的缓冲区里面去。这个传输又是通过 DMA 搬运的。
我们只是要“搬运”一份数据,结果却整整搬运了四次。而且这里面,从内核的读缓冲区传输到应用的内存里,再从应用的内存里传输到 Socket 的缓冲区里,其实都是把同一份数据在内存里面搬运来搬运去,特别没有效率。
像 Kafka 这样的应用场景,其实大部分最终利用到的硬件资源,其实又都是在干这个搬运数据的事儿。所以,我们就需要尽可能地减少数据搬运的需求。
Kafka 做的事情就是,把这个数据搬运的次数,从上面的四次,变成了两次,并且只有 DMA 来进行数据搬运,而不需要 CPU。
Kafka 的代码调用了 Java NIO 库,具体是 FileChannel 里面的 transferTo 方法。数据并没有读到中间的应用内存里面,而是直接通过 Channel,写入到对应的网络设备里。并且,对于 Socket 的操作,也不是写入到 Socket 的 Buffer 里面,而是直接根据描述符(Descriptor)写入到网卡的缓冲区里面。于是,在这个过程之中,我们只进行了两次数据传输。
第一次,是通过 DMA,从硬盘直接读到操作系统内核的读缓冲区里面。
第二次,则是根据 Socket 的描述符信息,直接从读缓冲区里面,写入到网卡的缓冲区里面,同一份数据传输的次数从四次变成了两次,并且没有通过 CPU 来进行数据搬运,所有的数据都是通过 DMA 来进行传输的。
在这个方法里面,我们没有在内存层面去“复制(Copy)”数据,所以这个方法,也被称之为零拷贝(Zero-Copy)。
相关文章:

DMA控制器
前言 大家好,我是jiantaoyab,这是我作为学习笔记的25篇,本篇文章给大家介绍DMA。 无论 I/O 速度如何提升,比起 CPU,总还是太慢。如果我们对于 I/O 的操作,都是由 CPU 发出对应的指令,然后等待…...

SQLiteC/C++接口详细介绍sqlite3_stmt类(十)
返回:SQLite—系列文章目录 上一篇:SQLiteC/C接口详细介绍sqlite3_stmt类(九) 下一篇: SQLiteC/C接口详细介绍sqlite3_stmt类(十一) 38、sqlite3_column_value sqlite3_column_valu…...
Android 生成Excel文件保存到本地
本文用来记录在安卓中生成Excel文件并保存到本地操作,在网上找了好久,终于找到一个可以用的,虽然代码已经很老的,但亲测可用! 项目地址:https://github.com/wanganan/AndroidExcel 可以下载下来修改直接用…...
Hive-技术补充-ANTLR语法编写
一、导读 我们学习一门语言,或外语或编程语言,是不是都是要先学语法,想想这些语言有哪些相同点 1、中文、英语、日语......是不是都有 主谓宾 的规则 2、c、java、python、js......是不是都有 数据类型 、循环 等语法或数据结构 虽然人们在…...

6.使用个人用户登录域控的成员服务器,如何防止个人用户账号的用户策略生效?
(1)需求: (2)实战配置步骤 第一步:创建新的策略-并编辑策略 第二步:将策略应用到服务器处在OU 第三步:测试 (1)需求: 比如域控,或者加入域的…...

模拟算法
例题一 算法思路: 纯模拟。从前往后遍历整个字符串,找到问号之后,就⽤ a ~ z 的每⼀个字符去尝试替换即 可。 例题二 解法(模拟 分情况讨论): 算法思路: 模拟 分情况讨论。 计算相邻两个…...

【数据结构刷题专题】—— 二叉树
二叉树 二叉树刷题框架 二叉树的定义: struct TreeNode {int val;TreeNode* left;TreeNode* right;TreeNode(int x) : val(x), left(NULL), right(NULL); };1 二叉树的遍历方式 【1】前序遍历 class Solution { public:void traversal(TreeNode* node, vector&…...
基于AWS云服务构建智能家居系统的最佳实践
在当今智能家居时代,构建一个安全、高性能、可扩展和灵活的智能家居系统已经成为许多公司的目标。亚马逊网络服务(AWS)提供了一系列云服务,可以帮助企业轻松构建和管理智能家居系统。本文将探讨如何利用AWS云服务构建一个智能家居系统,并分享相关的最佳实践。 系统架构概述 该…...
Java零基础-集合:Set接口
哈喽,各位小伙伴们,你们好呀,我是喵手。 今天我要给大家分享一些自己日常学习到的一些知识点,并以文字的形式跟大家一起交流,互相学习,一个人虽可以走的更快,但一群人可以走的更远。 我是一名后…...
数据结构与算法-排序算法
1.顺序查找 def linear_search(iters, val):for i, v in enumerate(iters):if v val:return ireturn 2.二分查找 # 升序的二分查找 def binary_search(iters, val):left 0right len(iters)-1while left < right:mid (left right) // 2if iters[mid] val:return mid…...

SpringBoot 文件上传(三)
之前讲解了如何接收文件以及如何保存到服务端的本地磁盘中: SpringBoot 文件上传(一)-CSDN博客 SpringBoot 文件上传(二)-CSDN博客 这节讲解如何利用阿里云提供的OSS(Object Storage Service)对象存储服务保存文件。…...
web渗透测试漏洞流程:红队目标信息收集之资产搜索引擎收集
web渗透测试漏洞流程 渗透测试信息收集---域名信息收集1.域名信息的科普1.1 域名的概念1.2 后缀分类1.3 多重域名的关系1.4 域名收集的作用1.5 DNS解析原理1.6 域名解析记录2. 域名信息的收集的方法2.1 基础方法-搜索引擎语法2.1.1 Google搜索引擎2.1.1.1 Google语法的基本使用…...

UI自动化_id 元素定位
## 导包selenium from selenium import webdriver import time1、创建浏览器驱动对象 driver webdriver.Chrome() 2、打开测试网站 driver.get("你公司的平台地址") 3、使浏览器窗口最大化 driver.maximize_window() 4、在用户名输入框中输入admin driver.find_ele…...
华为OD技术面算法题整理
LeetCode原题 简单 题目编号频次409. 最长回文串 - 力扣(LeetCode)3...
vmware虚拟机下ubuntu扩大磁盘容量
1、扩容: 可以直接在ubuntu setting界面里直接扩容,也可通过vmware命令,如下: vmware提供一个命令行工具,vmware-vdiskmanager.exe,位于vmware的安装目录下,比如 C:/Program Files/VMware/VMwar…...

秋招打卡算法题第一天
一年多没有刷过算法题了,已经不打算找计算机类工作了,但是思来想去,还是继续找吧。 1. 字符串最后一个单词的长度 public static void main(String[] args) {Scanner in new Scanner(System.in);while(in.hasNextInt()){String itemin.nextL…...
BC98 序列中删除指定数字
题目 描述 有一个整数序列(可能有重复的整数),现删除指定的某一个整数,输出删除指定数字之后的序列,序列中未被删除数字的前后位置没有发生改变。 数据范围:序列长度和序列中的值都满足 1≤�≤…...

基于Java的学生体质健康管理系统的设计与实现(论文+源码)_kaic
摘 要 随着时代的进步,信息化也在逐渐深入融进我们生活的方方面面。其中也给健康管理带来了新的发展方向。通过对学生体质健康管理的研究与分析发现当下的管理系统还不够全面,系统的性能达不到使用者的要求。因此,本文结合Java的优势和流行性…...

【Linux系统】冯诺依曼与操作系统
什么是冯诺依曼体系结构? 如图即为冯诺依曼大致的体系结构图, 我们知道这些都是由我们的计算机硬件组成 输入设备:键盘, 鼠标, 摄像头, 话筒, 磁盘, 网卡... 输出设备:…...
前端理论总结(html5)——form表单的新增特性/h5的新特性
form表单的新增特性 range:范围 color:取色器 url:对url进行验证 tel:对手机号格式验证 email:对邮箱格式验证 novalidate :提交表单时不验证 form 或 input 域 numbe…...

AI Agent与Agentic AI:原理、应用、挑战与未来展望
文章目录 一、引言二、AI Agent与Agentic AI的兴起2.1 技术契机与生态成熟2.2 Agent的定义与特征2.3 Agent的发展历程 三、AI Agent的核心技术栈解密3.1 感知模块代码示例:使用Python和OpenCV进行图像识别 3.2 认知与决策模块代码示例:使用OpenAI GPT-3进…...

JavaScript 中的 ES|QL:利用 Apache Arrow 工具
作者:来自 Elastic Jeffrey Rengifo 学习如何将 ES|QL 与 JavaScript 的 Apache Arrow 客户端工具一起使用。 想获得 Elastic 认证吗?了解下一期 Elasticsearch Engineer 培训的时间吧! Elasticsearch 拥有众多新功能,助你为自己…...
【SpringBoot】100、SpringBoot中使用自定义注解+AOP实现参数自动解密
在实际项目中,用户注册、登录、修改密码等操作,都涉及到参数传输安全问题。所以我们需要在前端对账户、密码等敏感信息加密传输,在后端接收到数据后能自动解密。 1、引入依赖 <dependency><groupId>org.springframework.boot</groupId><artifactId...

家政维修平台实战20:权限设计
目录 1 获取工人信息2 搭建工人入口3 权限判断总结 目前我们已经搭建好了基础的用户体系,主要是分成几个表,用户表我们是记录用户的基础信息,包括手机、昵称、头像。而工人和员工各有各的表。那么就有一个问题,不同的角色…...

新能源汽车智慧充电桩管理方案:新能源充电桩散热问题及消防安全监管方案
随着新能源汽车的快速普及,充电桩作为核心配套设施,其安全性与可靠性备受关注。然而,在高温、高负荷运行环境下,充电桩的散热问题与消防安全隐患日益凸显,成为制约行业发展的关键瓶颈。 如何通过智慧化管理手段优化散…...

EtherNet/IP转DeviceNet协议网关详解
一,设备主要功能 疆鸿智能JH-DVN-EIP本产品是自主研发的一款EtherNet/IP从站功能的通讯网关。该产品主要功能是连接DeviceNet总线和EtherNet/IP网络,本网关连接到EtherNet/IP总线中做为从站使用,连接到DeviceNet总线中做为从站使用。 在自动…...
Redis的发布订阅模式与专业的 MQ(如 Kafka, RabbitMQ)相比,优缺点是什么?适用于哪些场景?
Redis 的发布订阅(Pub/Sub)模式与专业的 MQ(Message Queue)如 Kafka、RabbitMQ 进行比较,核心的权衡点在于:简单与速度 vs. 可靠与功能。 下面我们详细展开对比。 Redis Pub/Sub 的核心特点 它是一个发后…...
CSS设置元素的宽度根据其内容自动调整
width: fit-content 是 CSS 中的一个属性值,用于设置元素的宽度根据其内容自动调整,确保宽度刚好容纳内容而不会超出。 效果对比 默认情况(width: auto): 块级元素(如 <div>)会占满父容器…...

回溯算法学习
一、电话号码的字母组合 import java.util.ArrayList; import java.util.List;import javax.management.loading.PrivateClassLoader;public class letterCombinations {private static final String[] KEYPAD {"", //0"", //1"abc", //2"…...

AI+无人机如何守护濒危物种?YOLOv8实现95%精准识别
【导读】 野生动物监测在理解和保护生态系统中发挥着至关重要的作用。然而,传统的野生动物观察方法往往耗时耗力、成本高昂且范围有限。无人机的出现为野生动物监测提供了有前景的替代方案,能够实现大范围覆盖并远程采集数据。尽管具备这些优势…...