前文《I/O Zero Copy是什么？》介绍了 Zero Copy 的本质就是 IO 设备跟用户程序空间传输数据的过程中，减少数据拷贝次数，减少系统调用，实现 CPU 的零参与，彻底消除 CPU 在这方面的负载。实现 Zero Copy 用到的最主要技术是 DMA 数据传输技术和内存区域映射技术（虚拟内存）。
挖坑不断，填坑不止，通过《10 分钟看懂虚拟内存底层原理》我们学习了虚拟内存的底层原理。今天，我们来填一下 DMA 的大坑。从上层应用一路往下到底层硬件高速数据交换接口 DMA，越往下笔者愈感心有余而力不足，在这方面笔者也是个新人，边学边做一些笔记。
一、DMA 是什么？
DMA(Direct Memory Access：直接内存存取)是所有现代电脑的重要特色，它允许不同速度的硬件装置来沟通，而不需要依于 CPU 的大量中断负载，是一种可以大大减轻 CPU 工作量的数据转移方式。
CPU 有转移数据、计算、控制程序转移等很多功能，但其实转移数据（尤其是转移大量数据）是可以不需要 CPU 参与。比如希望外设A 的数据拷贝到外设 B，只要给两种外设提供一条数据通路，再加上一些控制转移的部件就可以完成数据的拷贝。
正是基于上述的考虑，大佬们设计了 DMA ，解决数据转移过度消耗CPU资源的问题。
DMA 细节我们就不继续深究了，更多去了解 DMA 在 I/O 上的应用是怎样的，不过要记住 DMA 基本原理：
DMA 是一种允许外围设备（硬件子系统）直接访问系统主内存的机制。也就是说，基于 DMA 访问方式，系统主内存于硬盘或网卡之间的数据传输可以绕开 CPU 的调度。
整个数据传输操作在一个 DMA 控制器（DMAC）的控制下进行的，CPU 除了在数据传输开始和结束时做一点处理外（开始和结束时候要做中断处理），在传输过程中 CPU 可以继续进行其他的工作。这样在大部分时间里，CPU 计算和 I/O 操作都处于并行操作，使整个计算机系统的效率大大提高。
二、Linux I/O 的 DMA 应用
Linux 提供了轮询、I/O 中断以及 DMA 传输这 3 种磁盘与主存之间的数据传输机制。
1）轮询方式是基于死循环对 I/O 端口进行不断检测。
2）I/O 中断方式是指当数据到达时，磁盘主动向 CPU 发起中断请求，由 CPU 自身负责数据的传输过程。
3）DMA 传输则在 I/O 中断的基础上引入了 DMA 磁盘控制器，由 DMA 磁盘控制器负责数据的传输，降低了 I/O 中断操作对 CPU 资源的大量消耗。
2.1 I/O 中断方式
在 DMA 技术出现之前，应用程序与磁盘之间的 I/O 操作都是通过 CPU 的中断完成的。每次用户进程读取磁盘数据时，都需要 CPU 中断，然后发起 I/O 请求等待数据读取和拷贝完成，每次的 I/O 中断都导致 CPU 的上下文切换：
1）用户进程向 CPU 发起 read 系统调用读取数据，由用户态切换为内核态，然后一直阻塞等待数据的返回。
2）CPU 在接收到指令以后对磁盘发起 I/O 请求，将磁盘数据先放入磁盘控制器缓冲区。
3）数据准备完成以后，磁盘向 CPU 发起 I/O 中断。
4）CPU 收到 I/O 中断以后将磁盘缓冲区中的数据拷贝到内核缓冲区，然后再从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区。
5）用户进程由内核态切换回用户态，解除阻塞状态，然后等待 CPU 的下一个执行时间钟。
2.2 DMA传输方式
有了 DMA 磁盘控制器接管数据读写请求以后，CPU 从繁重的 I/O 操作中解脱，数据读取操作的流程如下：
1）用户进程向 CPU 发起 read 系统调用读取数据，由用户态切换为内核态，然后一直阻塞等待数据的返回。
2）CPU 在接收到指令以后对 DMA 磁盘控制器发起调度指令。
3）DMA 磁盘控制器对磁盘发起 I/O 请求，将磁盘数据先放入磁盘控制器缓冲区，CPU 全程不参与此过程。
4）数据读取完成后，DMA 磁盘控制器会接受到磁盘的通知，将数据从磁盘控制器缓冲区拷贝到内核缓冲区。
5）DMA 磁盘控制器向 CPU 发出数据读完的信号，由 CPU 负责将数据从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区。
6）用户进程由内核态切换回用户态，解除阻塞状态，然后等待 CPU 的下一个执行时间钟。
小结
目前大多数的硬件设备，包括磁盘控制器、网卡、显卡以及声卡等都支持 DMA 技术。通过 DMA 和虚拟内存技术，我们实现了 Zero Copy 的目标，IO 设备跟用户程序空间传输数据的过程中，减少数据拷贝次数，减少系统调用，实现 CPU 的零参与，彻底消除 CPU 在这方面的负载。
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