Direct Memory Access

Direct Memory Access (DMA) 深掘り解説

Direct Memory Access（DMA）とは、CPUを経由せずに、メモリとメモリ、またはメモリと周辺機器間で直接データ転送を行う機能です。CPUがデータ転送を担う従来の方法と異なり、DMAを使用することで、CPUはデータ転送処理から解放され、他のタスクに専念できるようになります。これにより、コンピュータ全体の処理性能が向上します。

DMAコントローラと動作

DMAを制御する専用のハードウェアをDMAコントローラ（DMAC）と呼びます。CPUはDMACに転送元・転送先アドレス、転送サイズ、転送モードなどの情報を指示し、転送開始のトリガーを送信します。その後、CPUは他の処理を実行し、DMACはデータ転送を完了すると、割り込み信号をCPUに送信して終了を通知します。エラー発生時にも同様の割り込み処理が行われます。

バスアービトレーション

DMAはCPUとバスを共有するため、バスの使用権を巡る調整が必要になります。これをバスアービトレーションと呼びます。代表的な方式として、ラウンドロビン（順番にバス権を譲渡）、サイクルスチール（CPU未使用時にバスを使用）、バースト（一定時間、DMAがバスを独占）があります。

転送モードと注意点

DMA転送には、サイクルスチールモード（1～2ワードずつ転送）とバーストモード（大量データを一気に転送）があります。バーストモードは高速ですが、オーバーラン（受信バッファのデータが上書きされる）のリスクがあります。ラウンドロビン方式はオーバーランしにくいですが、転送速度は遅くなります。

キャッシュメモリを使用するシステムでは、CPUとDMAによるデータ更新の競合により、キャッシュとメインメモリ間でデータの一貫性が失われる可能性があります。この問題に対処するため、適切なキャッシュ管理手法が必要です。また、仮想メモリ環境下では、DMA転送が物理メモリページ境界を跨がないよう注意が必要です。ページ境界を跨いでの転送には、DMACによるベクトルI/Oサポートが必要となります。

さらに、DMACと周辺機器からの同時割り込みによるCPU負荷増大にも注意が必要です。割り込み負荷軽減のため、DMACまたは周辺機器のいずれかの割り込みを抑制する必要があります。

DMAの歴史と進化

DMAはPDPシリーズで初期に採用されました。1970年代の低速CPUでは、大容量データ転送にDMAは不可欠でした。Z80(Z80DMA)、MC68000(MC68450)など、多くのマイクロプロセッサは専用のDMACを搭載していました。しかし、Intel 80286などでは、DMAはあまり使用されませんでした。

1990年代、高速CPUの登場でI/O処理がボトルネックとなり、高速DMACがチップセットに搭載されるようになり、DMAが再び脚光を浴びました。Pentium以降主流となったPCIバスでは、バスマスタリングDMAが実装されています。

高機能DMAC

初期のDMACは単純な転送機能しか備えていませんでしたが、オペレーティングシステムの普及とハードディスク利用の増加に伴い、スキャッタリング／ギャザリング機能が求められるようになりました。スキャッタリングはデータブロックを分割して転送し、ギャザリングは転送されたデータを統合する機能です。これらの機能により、CPU負荷とI/O待ち時間の削減を実現できます。

代表的なDMAC、DMA機能を持つLSI/IP

Z80DMA
μPD8237AC-5
MC68450
i430など(Pentium以降のチップセット)
μPD71037
μPD71071
* CoreLink DMA-330

まとめ

DMAは、CPUの負担を軽減し、高速なデータ転送を実現する重要な技術です。しかし、バスアービトレーション、オーバーラン、データの一貫性、仮想メモリ、割り込み増加など、使用上には注意が必要です。適切な設計と実装により、DMAはシステム性能の向上に大きく貢献します。今後も、より高機能で効率的なDMACの開発が期待されます。

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