Direct Memory Access (DMA)

DMA란 무엇인가?

DMA는 IO 장치와 메모리간의 데이터 전송을 위한 기술이다.

정확히는 모든 I/O장치는 아니고, 대용량 데이터 전송을 목적으로 하는 하드웨어와 연결되어있다.
저장 장치의 경우 HDD/SSD, CD/DVD 그리고 멀티미디어의 경우 그래픽 카드(GPU), 사운드 카드 등이 있다.

PIO방식에서는 CPU가 데이터를 한 워드 또는 바이트마다 전송하기 때문에, 속도가 빠른 I/O 장치의 경우 CPU의 실제 프로세스 작업 시간을 줄여 다른 작업을 수행하는데 방해가된다.
이를 해결하기위해 등장한 DMA 기술은 I/O 장치에서 메모리로 또는 메모리에서 I/O 장치로 데이터를 CPU의 개입없이 전송하여 CPU의 부담을 줄여준다.

메모리와 I/O 장치간의 데이터 전송

DMA는 어떻게 사용되는가?

Direct Memory Acess Controller (이하 DMAC)는 하드웨어 장치로서, 메모리 입출력 장치간의 데이터 전송을 DMA 기술로서 관리하는 장치이다.

DMA 동작 순서

장치 A에서 장치 B로 DMA 요청이 들어왔다는 가정하에, 순서를 설명하자면 다음과 같다.

장치 컨트롤러는 DMAC과 물리적으로 연결 되어있는 신호선에 DMA Request(DMA 요청)을 보낸 후 DMAC에서 요청을 받아들이면, 장치 컨트롤러로 DMA Acknowledge(DMA 승인) 신호를 보낸다.

장치 컨트롤러의 DMA 요청
데이터를 전송하기 전에 각 장치에 명령을 전달한다.
- 데이터를 읽기위해 디스크 컨트롤러로 주소 신호(컨트롤러로 부터 전달받은 읽을 로컬버퍼 주소)와 제어 신호 (읽기 명령)을 보낸다.
  또한 메모리에는 주소 신호(전달받은 메모리에 쓰기 주소)와 제어신호(쓰기 명령)을 보내면 데이터를 전송할 준비가 완료 된다.
DMAC는 데이터를 전송할 시스템 버스의 소유권을 얻기위해 CPU에게 제어 버스로 Bus Request(BR) 신호를 전송한다. CPU는 Bus Grant신호를 전송하여 버스 사용을 허가한다.

시스템 버스와 연결된 각 장치들
- 실제로는 I/O 장치의 컨트롤러와 연결되어 있으며, BR과 BG 모두 제어버스를 통해 전달된다. 각 장치마다 데이터를 준비하는 과정이 다르긴 하지만, 장치 A(HDD)에서 장치 B(RAM)으로 데이터를 전송하는 과정에서 데이터를 준비는 다음과 같다. 먼저 CPU가 디스크 읽기요청을 하드디스크 드라이버로 전송한다. 이때 디스크의 읽을 섹터번호(LBA) 와 읽을 양, 쓰기가 필요한 메모리 주소 등을 전달한다.
- 디스크 드라이버는 전달받은 정보를 이용해 데이터를 읽고, 디스크 컨트롤러 로컬버퍼에 데이터를 임시로 저장한다. 그리고 데이터를 읽을준비가 완료되면, DMAC으로 DMA 요청을 전송한다. DMAC은 시스템 제어를 위해 CPU에게 BR을 보내고, CPU는 BG를 보낼어 제어 승인을 하며, 타임아웃을 정하여 타이머를 설정한다.
만약 타임아웃이 발생한다면 타이머는 인터럽트를 발생시켜 CPU에게 알린다.
- BG를 받는 경우 즉시 회로가 연결되어 시스템버스의 소켓특성으로 데이터가 전달된다.
데이터 전송제어를 모두 마친 DMAC은 CPU에게 시스템 버스의 소유권을 반환한다.
- 이 경우 인터럽트를 발생시켜 CPU에 작업완료를 알려 버스소유권을 반납한다.

DMA 동작모드

사이클 스틸링(Cycle Stealing)

Cycle Stealing(이하 CS)는 데이터를 Word 단위로 전송한다. 작은 단위의 데이터를 전송할 때 워드단위로 처리되기 때문에, 잦은 인터럽트가 발생된다. 따라서 DMA에 의한 인터럽트로 CPU Cycle을 훔치게 된다. (실제로 옛날의 컴퓨터 구조에서는 DMA 사용시 회로를 막아버림으로써 Cycle을 훔쳤다.)

버스트 모드(Bust mode)

Bust Mode는 더큰 데이터를 DMA 할 때 사용되며 메모리의 Block 단위(4KB, 8KB, 64KB)로 처리된다.
블록단위 전송으로서 인터럽트가 발생되기 때문에, 성능향상에 큰이점을 준다.