Direct Memory Access (DMA)
Motivation
想像 CPU 要從磁碟讀一大塊資料。如果用傳統方式——programmed I/O (PIO)——CPU 必須親自盯著 status bit，等裝置準備好，然後一個 byte 一個 byte 把資料塞進 controller register。這對一顆昂貴的通用處理器來說是在浪費生命：整個過程 CPU 都在做搬運工的事，根本沒辦法處理其他運算
於是我們引入 DMA controller 接手這件事
Process
- CPU 告訴 device controller「去讀什麼」（寫 command register）
- CPU 設定好 DMA command block（source、destination、byte count）
- CPU 把 DMA command block 的位址告訴 DMA controller，然後離開去做別的事
- Device controller 開始執行命令，準備好一個 word 後，在 DMA-request 線上發訊號
- DMA controller 收到後搶佔 memory bus，把目標位址放上 memory-address 線，然後在 DMA-acknowledge 線上回應
- Device controller 收到 acknowledge 後，把那個 word 的資料寫入記憶體，然後撤掉 DMA-request 訊號
- DMA controller 看到 request 被撤掉，也放掉 acknowledge，bus 控制權釋放
- 步驟 4–7 重複，直到 byte count 歸零（所有資料搬完）
- DMA controller 發 interrupt 通知 CPU：「I/O request 完成了」
- CPU 收到 interrupt，去處理搬進來的資料
Scatter-Gather
Command block 可以不只描述一次連續搬移，而是列出一串 source/destination 位址對，讓 DMA controller 一口氣完成多段不連續的搬移
CPU 仍需要在每次搬移自行寫入 Device controller 的 Device registers
Problem
1. Double Buffering
DMA 的目標位址最好放在 kernel address space，原因是因為如果放在 user space，user process 可以在搬移過程中修改那塊記憶體，資料就會損毀
但資料在 kernel memory 裡，user thread 要存取時就得再做一次從 kernel memory 到 user memory 的 copy——這個額外的複製叫 double buffering，很沒效率。現代作業系統傾向直接用 lock 把那塊鎖起來並且在搬移完成後再 unlock
2. Cycle Stealing
DMA controller 使用 memory bus 的時候，CPU 就暫時被排除在外，沒辦法存取 main memory（雖然它還能用 cache 裡的資料繼續跑）。這叫做 cycle stealing——DMA 偷走了幾個 bus cycle
但這還是很划算因為使用 DMA 可以讓 CPU 可以真正專注在計算上