[CS] DMA(Direct Memory Access)

DMA란?

DMA(Direct Memory Access)는 CPU를 거치지 않고 장치(디스크, 네트워크 카드, 사운드 카드 등)가 직접 메모리(RAM)와 데이터를 주고받는 방식을 말한다.

DMA 설명 : 해당 이미지는 GPT로 생성되었다.

• 기존: 사장님이 직접 배달 → 시간이 오래 걸리고 가게 일에 집중 못함
• DMA: 라이더에게 맡기고 → 사장님은 요리에 집중, 배달 완료되면 알림을 받는다.

동작 과정

① CPU가 설정한다

• CPU는 DMA 컨트롤러에게 세 가지를 알려준다:
  1. 어디서부터 복사할지 (source 주소)
  2. 어디로 복사할지 (destination 주소)
  3. 얼마나 복사할지 (전송할 데이터 크기)

② DMA가 전송한다

• CPU는 이제 손을 뗀다.
• DMA 컨트롤러가 메모리와 장치 간에 직접 데이터를 주고받는다.

③ 전송 완료 후 알림

• 데이터 복사가 끝나면, DMA 컨트롤러가 Interrupt(하드웨어 인터럽트)를 발생시킨다.
• CPU는 그제야 "아, 데이터 다 옮겨졌구나"를 안다.

DMA가 중요한 이유

• CPU를 자유롭게 해 준다 → CPU는 다른 계산/작업을 할 수 있다.
• I/O 처리 속도를 높인다 → 대용량 데이터도 빠르게 복사 가능.
• 효율적인 시스템 리소스 사용 → 메모리-장치 간 대역폭 활용 극대화.

DMA 방식의 종류

종류	설명
Burst DMA	한 번에 많은 데이터를 한꺼번에 전송 (속도 빠름, 메모리 독점 가능성 있음)
Cycle Stealing DMA	메모리 버스를 잠깐씩 빌려서 전송 (CPU랑 번갈아 사용 → CPU 영향 최소화)
Transparent DMA	CPU가 메모리를 안 쓰는 순간에만 몰래 전송 (CPU 입장에서 거의 티가 안 남)

→ 주로 사용 환경에 따라 최적화 방법을 다르게 선택한다.

실제 운영체제(OS)에서의 DMA

운영체제 커널은 보통:

• I/O 요청 시 DMA를 설정하고
• Interrupt 기반으로 완료를 통지받고
• 디바이스 드라이버가 전송 완료 후 데이터를 처리한다.

리눅스 커널 같은 경우 I/O 시스템 콜(read(), write())을 통해,
하드웨어에 DMA를 설정하고, interrupt를 기다리는 구조를 가진다.

세세한 기술적 주의사항

 

• 버스 충돌(Bus Contention) 문제
  • CPU와 DMA가 동시에 메모리 버스를 사용하려고 하면 충돌할 수 있음.
  • 이를 조율하는 방식이 버스 중재(Bus Arbitration)이다.
• 캐시 일관성 문제
  • CPU는 캐시를 사용하고, DMA는 메모리에 직접 접근하므로,
    데이터 불일치(Cache Coherency) 문제가 생길 수 있음.
  • OS나 하드웨어는 캐시 플러시(cache flush) 같은 처리를 추가해야 한다.
• 메모리 보호 문제
  • DMA가 잘못된 메모리 영역에 접근하면 시스템이 망가질 수 있다.
  • 그래서 OS는 IOMMU(Input-Output Memory Management Unit) 같은 걸로 DMA의 접근 범위를 제한한다.

 

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정리

구분	CPU 사용	특징
기존 방식	데이터 복사에 CPU가 직접 개입	CPU 낭비 많음
DMA 방식	CPU가 개입하지 않음	CPU는 다른 일 가능, 전송은 장치-메모리 간 직접 처리

• DMA를 하려면 DMA Controller라는 하드웨어가 필요하다. (CPU와 장치 사이를 조율하는 역할)
• 네트워크 카드, 디스크 컨트롤러, 사운드 카드 같은 데에서 많이 쓴다.