DMA

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qwen-3-235b-a22b-instruct-2507
작성자
익명
작성일
2025.09.07
조회수
8
버전
v1
기술 → 하드웨어 → 입출력 기술
DMA DMA 컨트롤러 입출력 기술 하드웨어 병렬 처리

DMA

개요

DMA(Direct Memory Access 직접 메모리 접근)는 컴퓨터 시스템에서 데이터 전송 효율을 극대화하기 위해 사용되는 입출력(I/O) 기술이다. 일반적으로 CPU는 주변 장치(예: 디스크 드라이브, 네트워크 카드, 그래픽 카드 등)와 메모리 간의 데이터 전송을 직접 관리해야 하지만, DMA 기술을 통해 이러한 작업을 CPU의 개입 없이도 수행할 수 있다. 이는 CPU의 부하를 줄이고, 전체 시스템의 성능을 향상시키는 데 중요한 역할을 한다.

DMA는 특히 대용량 데이터 전송이 빈번한 환경(예: 고속 저장 장치, 실시간 멀티미디어 처리, 고성능 네트워킹)에서 핵심적인 기술로 자리 잡고 있다. 본 문서에서는 DMA의 작동 원리, 구성 요소, 장단점, 주요 활용 사례 및 관련 기술에 대해 자세히 설명한다.

작동 원리

DMA는 CPU가 데이터 전송을 직접 수행하는 대신, DMA 컨트롤러(DMA Controller, DMAC)라는 전용 하드웨어가 메모리와 주변 장치 사이의 데이터 전송을 관리하는 방식이다.

기본 동작 과정

  1. 요청: 주변 장치가 데이터 전송이 필요할 때 CPU에 인터럽트를 보내거나 DMA 컨트롤러에 요청을 전달한다.
  2. 허가: CPU는 DMA 요청을 승인하고, 버스 제어권을 DMA 컨트롤러에게 넘긴다.
  3. 데이터 전송: DMA 컨트롤러가 직접 주소 버스와 데이터 버스를 제어하여 메모리와 장치 사이에 데이터를 전송한다.
  4. 완료 통보: 전송이 완료되면 DMA 컨트롤러가 CPU에 인터럽트를 보내 작업 완료를 알린다.
  5. 제어 회수: CPU는 다시 버스 제어권을 회수하고 정상적인 처리를 재개한다.

이 과정을 통해 CPU는 데이터 전송 중에도 다른 계산 작업을 수행할 수 있어, 병렬 처리(parallel processing) 효율이 높아진다.

구성 요소

DMA 시스템은 다음과 같은 주요 구성 요소로 이루어진다:

  • DMA 컨트롤러(DMAC): 데이터 전송을 관리하는 전용 칩 또는 회로.
  • 버스 매트릭스(Bus Matrix): CPU, 메모리, 주변 장치 간의 데이터 경로를 조정.
  • 버퍼 메모리: 일시적으로 데이터를 저장하여 전송 속도 차이를 보완.
  • 인터럽트 핸들러: DMA 작업 완료 시 CPU에 알림.

최신 시스템에서는 DMAC가 칩셋(예: Southbridge 또는 Platform Controller Hub)에 통합되어 있으며, 일부 고성능 장치(예: NVMe SSD, GPU)는 자체 내장형 DMA 엔진을 갖추고 있다.

DMA의 유형

DMA는 전송 방식과 사용 목적에 따라 다음과 같은 유형으로 나뉜다:

유형 설명
메모리-메모리 DMA 두 메모리 영역 간의 데이터 복사. 예: 대용량 배열 복사.
장치-메모리 DMA 주변 장치에서 메모리로 데이터 전송. 예: 디스크에서 파일 로딩.
메모리-장치 DMA 메모리에서 주변 장치로 데이터 전송. 예: 화면 출력.
버스트 모드 DMA 한 번에 많은 데이터를 빠르게 전송. CPU가 버스를 오랫동안 양보해야 함.
사이클 스틸링(Cycle Stealing) CPU가 버스를 사용하지 않을 때 짧은 단위로 데이터 전송. 시스템 반응성 유지에 유리.

장점과 단점

장점

단점

  • 하드웨어 비용: DMAC 및 관련 회로 추가로 비용 증가.
  • 버스 경합(Bus Contention): CPU와 DMAC가 동시에 버스를 요구할 경우 성능 저하 가능.
  • 설계 복잡성: 시스템 아키텍처 설계 시 동기화 및 버스 관리가 필요.

주요 활용 사례

  • 저장 장치: HDD, SSD는 DMA를 통해 CPU 부담 없이 데이터를 RAM과 주고받는다.
  • 네트워크 인터페이스 카드(NIC): 패킷 수신/송신 시 DMA를 사용하여 고속 처리.
  • 그래픽 카드: GPU와 시스템 메모리 간의 대용량 텍스처 데이터 전송.
  • 오디오/비디오 장치: 실시간 스트리밍 데이터 처리에 필수적.
  • 임베디드 시스템: 마이크로컨트롤러에서 ADC, UART 등의 데이터 수집에 활용.

관련 기술

  • I/O 가상화(IOMMU): DMA 전송 시 메모리 보호 및 주소 변환을 제공.
  • RDMA(Remote DMA): 네트워크를 통해 원격 시스템의 메모리에 직접 접근.
  • Scatter-Gather DMA: 연속되지 않은 메모리 블록을 하나의 전송 작업으로 처리.

참고 자료

  • Tanenbaum, A. S. (2015). Structured Computer Organization. Pearson.
  • Intel Corporation. (2020). Intel I/O Controller Hub (ICH) Family Datasheet.
  • Linux Kernel Documentation: DMA API Guide

DMA는 현대 컴퓨팅 시스템의 성능과 효율성을 결정짓는 핵심 기술 중 하나이며, 지속적인 하드웨어 발전과 함께 그 중요성은 더욱 커지고 있다.

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