深入浅出dpdk读书笔记--pcie与包处理（二）----dma_dpdk dma

1、什么是DMA

DMA（Direct Memory Access，直接存储器访问）是一种高速的数据传输方式，允许在外部设备和存储器之间直接读写数据。数据既不通过CPU，也不需要CPU干预。整个数据传输操作在DMA控制器的控制下进行。但是这种方式存在多次访存的情况，而且还存在内存一致性问题，基于此intel提出DDIO技术，是对传统DMA技术的一个优化。DDIO允许I/O设备（如支持该技术的网卡）将数据直接写入或读取CPU的最后级缓存（LLC），而非内存。既然DDIO允许设备直接访问CPU的LLC，那么访问的过程中会涉及到pcie？带着这个疑问，我们继续探究第二个问题。

2、DDIO与PCIE的关系

正如上篇文章所讲，PCIe作为一种高速串行计算机扩展总线标准，是连接CPU与各种I/O设备（如网卡、存储控制器等）的主要通道。在采用DDIO技术的系统中，数据传输路径如下：当一个支持DDIO的I/O设备（如网卡）接收到数据时，它可以通过PCIe总线直接将这些数据传送给CPU的最后级缓存（LLC）。这个传输过程利用了PCIe提供的高速互连能力和数据带宽，即使得数据不必先经过内存，而是直接进入CPU缓存，减少了数据在内存和CPU之间来回移动的延迟。PCIe在此过程中扮演着关键角色，提供了高速、双向、点对点的数据传输信道，使得DDIO技术得以实现高效的数据交换。因此，DDIO技术的成功实施离不开PCIe总线所提供的高性能连接基础架构。

3、DMA的工作原理

3.1 初始化阶段

（1）网卡启动被设备识别时，告知CPU其具有DMA功能，并要求CPU分配一段连续的内存供DMA使用

（2）CPU根据设备的需求，在物理内存中预留一段区域并将其对应的物理地址提供给设备。这段内存区域被称为DMA缓冲区。

3.2 设置控制器

（1）DMA控制器是连接设备和内存之间的硬件组件，它负责管理DMA事务。

（2）设备驱动程序通常会设置DMA控制器的参数，如传输的方向（读或写）、源地址（设备地址或内存地址）、目的地址（内存地址）、传输大小等，并将这些参数存储在DMA通道的控制寄存器中。

3.3 启动DMA传输

（1）当有数据需要传输时，设备会激活其DMA控制器，指定相关的DMA通道开始数据传输。

（2）对于写操作，设备会将数据直接写入到内存的DMA缓冲区；对于读操作，则是从内存的DMA缓冲区读取数据。

3.4 CPU角色

（1）在DMA传输过程中，CPU并不直接参与数据搬运过程，而是可以执行其他任务，从而显著提升了系统的整体性能。

（2）只有在DMA事务开始前（初始化DMA控制器）和结束后（处理DMA完成中断），CPU才会介入进行必要的设置和清理工作。

3.5 DMA中断

（1）当DMA传输完成时，DMA控制器会触发一个中断通知CPU。

（2）CPU响应中断后，会执行相应的中断服务程序（ISR），确认DMA操作已完成，并可能进一步处理传输后的数据（如将网络数据包上传至协议栈处理）。

4、网卡DMA描述符环形队列

网卡DMA控制器通过环形队列与CPU交互。环形队列由一组控制寄存器和一块物理上连续的缓存构成。主要的控制寄存器有Base、Size、Head和Tail。通过设置Base寄存器，可以将分配的一段物理连续的内存地址作为环形队列的起始地址，通告给DMA控制器。同样通过Size寄存器，可以通告该内存块的大小。Head寄存器往往对软件只读，它表示硬件当前访问的描述符单元。而Tail寄存器则由软件来填写更新，通知DMA控制器当前已准备好被硬件访问的描述符单元

4.1  DMA描述符环形队列的运作原理

4.1.1 初始化阶段：

（1）DPDK在初始化网卡接收队列时，会分配一组连续的内存空间，用于存储接收描述符。每个描述符记录了内存中接收缓冲区（MBUFs）的物理地址和相关状态信息。

（2）这些描述符组成一个环形队列，即队列的最后一个描述符之后紧接着是第一个描述符，形成一个循环列表

4.1.2 接收数据包过程

（1）当网卡接收到数据包时，其内部的DMA引擎按照预先设定好的环形队列顺序读取描述符。

（2）根据描述符中的信息，DMA控制器将网络数据直接写入到主机内存中对应MBUF分配的缓冲区内。

（3）每个描述符写满后，DMA控制器自动更新描述符状态，表示数据包已经被成功放入内存。

4.1.3 CPU处理

（1）网卡完成数据包的DMA传输后，会触发一个中断通知CPU。

（2）CPU响应中断后，通过查询描述符的状态信息得知有哪些数据包已经接收完成，并进行后续处理，如解析包头、分发到不同的处理队列或转发到其他目的地。

4.1.4 轮询和空闲中断优化

DPDK还支持轮询（Polling）模式以及空闲中断（IDLE IRQ）等优化手段，进一步减少不必要的中断次数，提高CPU利用率和数据处理效率

pcie的讲解请看上一篇：深入浅出dpdk读书笔记--pcie与包处理（一）-CSDN博客