DMA和Cache的一致性

2023-09-12 / 2023-09-12 / C语言

DMA和Cache的一致性

哈喽，最近接触了DMA并且还有一致性的问题，来重新回忆一下Cache和DMA吧！

DMA（Direct Memory Access）直接内存访问，其传输过程中是不需要CPU干预的，可以直接从内存中读写数据。为什么要有DMA呢，假设CPU要对数据进行迁移，从内存x搬移到内存y中，首先CPU要把内存x中的数据搬移到通用寄存器里，然后再把数据搬移到内存y中，同时CPU作为一个大忙人，万一来个中断，有可能就会停下去做更紧急的事情。因此DMA来了，它可以操作总线，直接从内存x搬移数据到内存y，DMA启动后，并不会被打断，因此DMA在效率上比CPU要快的很多，CPU只需要告诉DMA从哪里搬到哪里就行。

那么问题来了，在实际应用过程中，有cache的存在，就会出现数据不一致的情况下，下图是3级缓存cache，本文对cache并不做过多的介绍，只需要知道CPU的速度很快，如果CPU直接访问内存进行数据或指令的读取速度会比使用cache慢了100倍，所有如果有cache的存在，计算性能会有很大的提升。

事实上，cache和DMA的产生解决了大问题，但又遗留了小问题，需要解决数据同步一致性问题。一般来说，DMA获得的数据和cache中的数据不一致主要有两方面的原因：

DMA直接操作系统总线来读写内存地址，而CPU并不感知。
DMA修改的内存地址，在CPU的cache中有缓存，但是CPU并不知道内存数据被修改了，CPU依然去访问cache的旧数据，导致Cache一致性问题。

那么如何进行DMA和cache一致性问题的解决呢

使用硬件进行一致性方案的解决，但是需要SOC中支持CCI IP
使用non-cacheable的内存来进行DMA传输
软件干预解决一致性

下图是CPU cache 和 DMA的简单流程

主要有两个场景，1）从buffer从内存中获取数据2）CPU从内存中获取数据

从内存到buffer

在这种情况下，一般是CPU处理完了数据，需要返回给外设buffer中，那么在DMA搬移内存中的数据之前，内存中的数据可能并不是最新的，cache中可能缓存了最新的数据，那么就需要cache clean/flush 操作，将cache中的数据写到内存中，然后DMA再进行数据的搬移，将数据搬移到外设buffer中。