關於DMA和它的仇家

[基礎知識]什麼叫作DMA？
DMA=Direct Memory Access。這是一種經過硬件實現的數據傳輸機制。簡單的說，就是不在CPU的參與下完成數據的傳輸。
[/基礎知識]
不太明白？我舉個簡單的例子：
好比有個數組a，我但願把這個數組中的內容傳輸到另外一個數組b中。咱們假設這兩個數組都是同樣大。好比int a[10000];int b[10000];。
那麼我能夠這樣作：
[code=c]for(int x=0;x<sizeof(a)/sizeof(int);x++){
    b[x]=a[x];
}
[/code]
循環將數組中的每一個元素進行傳遞。這是最簡單的一種方法，也是最容易理解的方法。
不過這種方法雖然簡單，效率可算不上高。若是你瞭解微機原理和彙編的話就明白了，b[x]=a[x];這句話並不是像你看到的那樣，把a[x]中的元素值賦給b[x]。
那是怎麼一個過程？
其實是這樣的：首先a[x]中的元素值賦給某CPU中的寄存器，而後再將該寄存器的值賦給b[x]。
爲何會這樣？
這是由於a和b都是在內存中的，而CPU不容許內存直接進行數據傳輸。因此在這個過程當中CPU必須參一腳當中介。
可想而知每賦值一次都要中介，效率就這麼被降下去了。
既然問題是出在CPU當中介這個地方，那麼有什麼方法能夠迴避掉這個瓶頸呢？有。那就是DMA。
DMA是一種硬件設備。這種設備的工做原理是這樣的：
——首先CPU告訴DMA設備，要有一堆數據須要傳輸，爲了效率而請它出馬。（DMA請求）
——DMA收到CPU的消息，開始準備。此時CPU把數據源地址、數據目標地址、傳輸數據量、傳輸模式等等參數告訴它。（DMA初始化）
——DMA初始化完，向CPU發送消息「借你的總線用一用，我要開始傳輸數據了！」（總線出借，DMA啓動）
——CPU收到消息後，暫時切斷本身與總線的聯繫。DMA開始傳輸數據。（DMA數據）
——DMA傳輸完數據以後，向CPU發送消息「搞定了！總線還給你。」（總線歸還）
——CPU說：「幹得好！老將出馬一個頂倆！辛苦了，你先歇着吧。」DMA設備中止。CPU該幹啥幹啥。
因爲是硬件實現的，因此DMA的速度很是快。快到什麼程度呢？在DS上，尤爲是數據量很是大的時候，相比於CPU當中介，效率可以提升一百萬倍以上。
因爲DMA的速度是如此之快，因此大量的數據傳輸，通常都要求使用DMA。
那麼，剛纔那個例子就能夠寫成：
[code=c]dmaCopy((void*)a,(void*)b,sizeof(a));
[/code]
可是DS是個很特殊的平臺，在某些狀況下，DMA不適用。有些內存區域，DMA是沒法訪問的。那就是BIOS、TCM和Cache。

[基礎知識]BIOS是一塊被硬件保護的內存區域。這塊區域正常狀況下是「讀寫保護」。也就是說，採用正常的方法是沒法訪問這塊內存的。天然，DMA也沒法訪問。直接讀取BIOS，讀出來的全是隨機的數據。
那麼，我想DUMP BIOS，該怎麼作呢？
這就須要一些技巧了。如今我先不說，到教程的最後我再把這個坑給填了。
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[基礎知識]TCM=Tightly Coupled Memory。這是一種高速緩存，聽說是被直接集成在CPU芯片中。DS有兩種TCM，分別是ITCM（Instruction TCM）和DTCM（Data TCM）。不用解釋大家也能知道這兩種TCM是幹啥用的。
[/基礎知識]
因爲是高速緩存，因此這兩塊內存區域被當作特殊的用途。好比某些對時間要求很是嚴格的代碼，就能夠被放到ITCM中執行。這能夠有效地提升運行速度。某些須要頻繁存取的數據，也能夠放到DTCM中以節省存取時間。
怎麼樣把代碼放到ITCM中？有兩種方法。一種是使用gcc特有的「屬性標籤」，將指定代碼賦予「ITCM」屬性，此時該代碼會被載入ITCM中執行。還有一種方法是直接將.c源文件改爲.itcm.c，此時源文件會被直接編譯成在ITCM中運行的目標文件。
而DTCM就方便得多了。雖然兩個TCM都是可映射的，也就是說，它們的地址並不是固定，可是NDSLIB的lnkscript將這兩塊TCM映射到了0x01000000和0x0B000000上。既然已經有了固定地址，那麼就能夠很輕鬆地訪問了。不過，正如剛纔所說的，這兩塊內存空間都是有特殊用途的，因此不建議直接訪問。相比於ITCM來講，DTCM更加劇要。由於在這塊內存中，存在着一個很是重要的對象——棧。
「棧」這種東西我也不詳細解釋了。局部變量和函數調用的參數，就是靠棧進行傳遞的。
因爲DMA沒法訪問TCM，因此也就沒法訪問棧。又因爲局部變量是被開闢到棧中，因此DMA也沒法對局部變量進行傳遞。舉個例子：
我要往主引擎的標準調色盤中填充隨機顏色。
下面的代碼就是錯誤的：
[code=c]void fillRandomColorToMainPalette(){
    u16 tmpPalette[256];
    dmaCopy((void*)tmpPalette,(void*)BG_PALETTE,sizeof(tmpPalette));
}
[/code]
緣由很簡單，tmpPalette中的數據雖然是隨機的，但這個數組是局部變量，被開闢在棧中，DMA沒法訪問。
下面則是正確方法：
[code=c]void fillRandomColorToMainPalette(){
    u16 tmpPalette[256];
    memcpy((void*)BG_PALETTE,(void*)tmpPalette,sizeof(tmpPalette));
}
[/code]
memcpy不是須要CPU參與嗎？那豈不是很慢？
是的。很慢，相比於DMA來講慢多了。不過，目前咱們只能用它。教程的最後我將教你一種又快又安全的方法。

[基礎知識]什麼是Cache？
衆所周知CPU的速度很是快。當CPU訪問外設的時候，有些外設速度比較慢，響應CPU比較遲鈍。此時CPU要麼等外設響應，要麼繼續幹它的活等外設的中斷信號。
可是有些外設是沒有中斷的。此時CPU就必須等了。最典型的例子就是內存。
當CPU訪問內存的時候，並不是像你想象的那樣，CPU馬上就能訪問到它想訪問的內存空間，而是有一個「WaitState」的過程。想一想看吧，每訪問一次內存都要等上幾個機器週期，這可不是個好事~~~尤爲是，這個「幾」可不是簡單的一位數，有些時候甚至能達到3位數。
那麼這個問題又該怎麼解決呢？那就是Cache了。
Cache是集成在CPU內部的極高速的緩存。注意關鍵詞「極高速」。通常來講，它的訪問速度幾乎能夠媲美CPU。這就意味着，CPU在訪問Cache的時候幾乎不會浪費多少時間。不過，速度的提高是用容量做爲代價的。Cache的容量很小。在DS中，數據緩衝（Data Cache，簡寫爲DC）只有4K，指令緩衝（Instruction Cache，簡寫爲IC）只有8K。
[/基礎知識]
那麼，咱們把經常使用的數據放到Cache中，CPU在訪問的時候直接訪問Cache就好了，不用耗費時間去訪問內存了。
事實上CPU就是這麼作的。在讀內存的時候，CPU首先讀Cache，看看有沒有它想要的數據的「副本」，有的話那就太好了，直接拿過去用。沒有的話就只好費點功夫去讀內存了。而在寫內存的時候，CPU直接寫到Cache中，而非直接寫到內存中。
哪尼？
確實是這樣子的。當Cache寫滿了以後，此時纔將Cache中的數據更新到內存，同時清空Cache。就像寄信同樣，全部的信件會首先攢到郵局，到達必定數量以後纔會送出去。
不過這又出現一個問題：假如Cache中有某個內存數據的「副本」，那麼CPU在讀該內存的時候就會直接使用該副本而不用去讀內存。那萬一內存中的數據被改寫，此時CPU再讀該內存，讀出來的豈不是那個舊的副本而不是最新的內存數據？一樣，假如我想DMA一些數據，誰能保證此時內存中的數據就是最新的數據？
某人：那啥，我直接讀寫Cache得了。鳥內存真它奶奶的麻煩！
很惋惜，Cache是徹底的黑箱。你不知道它的地址。你也沒法直接訪問它。
那該怎麼辦呢？幸虧NDSLIB爲咱們提供了一些函數：
[code=c]// 將整個Data Cache更新到內存
void DC_FlushAll()
// 將Data Cache中指定地址指定大小的區域更新到內存
void DC_FlushRange(const void *base, u32 size)

// 清空整個Data Cache
void DC_InvalidateAll()
// 清空Data Cache中指定地址指定大小的區域
void DC_InvalidateRange(const void *base, u32 size)

// 清空整個Instruction Cache
void IC_InvalidateAll()
// 清空Instruction Cache中指定地址指定大小的區域 
void IC_InvalidateRange(const void *base, u32 size)
[/code]
那麼，何時使用這些函數呢？
在DMA以前，我須要保證數據源內存中的數據是最新的。因此此時須要Flush，從而使DC中的副本可以更新到內存中。
在DMA以後，我須要保證DC中的副本和內存中的數據是相同的。可是NDSLIB沒有更新DC的函數，因此沒辦法，咱們只能把DC中的副本殺掉。此時若是CPU訪問內存，因爲DC中沒有副本，因此就只能直接從內存訪問並將訪問到的值做爲DC中副本了。因此此時須要Invalidate。
至因而用All仍是Range，很明顯，All的話確定最保險，但確定也會更花時間。因此若是你有把握，那就用Range以節省時間；沒把握就用All求穩妥。

注意，模擬器在模擬Cache上至關不完善。根據個人觀察，三大著名模擬器——NO$GBA、desmume和ideas，都沒法正確模擬Cache。因此若是你發如今模擬器上圖像正常而到了真機上出現破碎、混亂、顏色異常等等問題，設法把你的DMA函數先後加上DC_Flush...(...);和DC_Invalidate...(...);。

[填坑]正如我所說的，DMA很是之快。通常狀況下的數據傳輸，靠它沒問題。不過有些場合DMA沒法訪問，我又想要快，那該怎麼辦呢？有請swiCopy和swiFastCopy！
[code=c]#define COPY_MODE_HWORD  (0)
#define COPY_MODE_WORD  (1<<26)
#define COPY_MODE_COPY  (0)
#define COPY_MODE_FILL  (1<<24)
void swiCopy(const void * source, void * dest, int flags);
void swiFastCopy(const void * source, void * dest, int flags);
[/code]
這兩個函數是所謂的「BIOS軟中斷」，又稱「系統調用」。你能夠把他當作是GBA/DS特有的函數。
這兩個函數很是神奇，在GBA中，它們比DMA更快！不過很惋惜，在DS中則一點都不快，甚至比memcpy還慢。
這兩個函數沒有區域限制。不論是BIOS仍是內存，不論是ITCM仍是DTCM，都能直接訪問。
如今咱們來改寫一下那個隨機調色盤的例子：
[code=c]void fillRandomColorToMainPalette(){
    u16 tmpPalette[256];
    swiCopy((void*)tmpPalette,(void*)BG_PALETTE,COPY_MODE_WORD|COPY_MODE_COPY|(sizeof(tmpPalette)>>2));
}
[/code]
注意最後一個參數。它的單位是WORD，即4字節。所以數據大小須要除以4以轉換成WORD。
swiFastCopy則比swiCopy更快。你如果追求更高的速度也能夠換成swiFastCopy。不過注意，這個函數只能傳輸半字寬度，也就是2字節的數據，所以不能使用COPY_MODE_WORD這個模式。可是傳輸數據大小依然以WORD爲單位。
[/填坑]
最後咱們把坑填了吧。這是DUMP ARM9的BIOS的函數：
[code=c]
#define BIOS_ADDRESS 0xFFFF0000
#define BIOS_SIZE 32768
void dumpARM9BIOS(){
    void* tmpBuffer=calloc(BIOS_SIZE,1);
    swiCopy((void*)BIOS_ADDRESS,(void*)tmpBuffer,COPY_MODE_WORD|COPY_MODE_COPY|(BIOS_SIZE>>2));
    DC_FlushAll();
    FILE* f=fopen("arm9.bios","wb+");
    if(f!=NULL)fwrite(tmpBuffer,BIOS_SIZE,1,f);
    fclose(f);
    free(tmpBuffer);
}
[/code]