DMA總結

概念

“Direct Memory Access（存儲器直接訪問）。這是指一種高速的數據傳輸操作，允許在外部設備和存儲器之間直接讀寫數據。整個數據傳輸操作在一個稱爲"DMA控制器"的控制下進行的。CPU除了在數據傳輸開始和結束時做一點處理外（開始和結束時候要做中斷處理），在傳輸過程中CPU可以進行其他的工作（前提是未設置停止CPU訪問）。這樣，在大部分時間裏，CPU和輸入輸出都處於並行操作。因此，使整個計算機系統的效率大大提高”。

DMA傳送方式是讓存儲器與外設、或外設與外設之間直接交換數據，不需要經過CPU的累加器中轉，減少了這個中間環節，並且內存地址的修改、傳送完畢的結束報告都是由硬件電路實現的，因此大大地提高了數據的傳輸速度。一個DMA傳送只需要執行一個DMA週期，相當於一個總線讀寫週期。

DMA是在專門的硬件（ DMA）控制下，實現高速外設和主存儲器之間自動成批交換數據儘量減少CPU干預的輸入/輸出操作方式。 

適用場合

DMA方式主要適用於一些高速的I/O設備。這些設備傳輸字節或字的速度非常快。對於這類高速I/O設備，如果用輸入輸出指令或採用中斷的方法來傳輸字節信息，會大量佔用CPU的時間，同時也容易造成數據的丟失。而DMA方式能使I/O設備直接和存儲器進行成批數據的快速傳送。

DMA傳送主要用於需要高速大批量數據傳送的系統中，以提高數據的吞吐量。如磁盤存取、圖像處理、高速數據採集系統、同步通信中的收/發信號等方面應用甚廣。通常只有數據流量較大(kBps或者更高)的外設才需要支持DMA能力，這些應用方面典型的例子包括視頻、音頻和網絡接口。

DMA控制器（DMAC）

DMA傳送雖然脫離CPU的控制，但並不是說DMA傳送不需要進行控制和管理。通常是採用DMA控制器來取代CPU，負責DMA傳送的全過程控制。目前DMA控制器都是可編程的大規模集成芯片。

DMA控制器是內存儲器同外設之間進行高速數據傳送時的硬件控制電路，是一種實現直接數據傳送的專用處理器，它必須能取代在程序控制傳送中由CPU和軟件所完成的各項功能。它的主要功能是:

(1)DMAC同外設之間有一對聯絡信號線--外設的DMA請求信號DREQ以及 DMAC向外設發出的DMA響應信號DACK;（如下圖）

(2)DMAC在接收到DREQ後，同CPU之間也有一對聯絡信號線--DMAC向CPU 發出總線請求信號(HOLD或BUSRQ)，CPU在當前總線週期結束後向DMAC發出總線響應信號(HLDA或BUSAK)，DMAC接管對總線的控制權，進入DMA操作方式;

(3)能發出地址信息，對存儲器尋址，並修改地址指針，DMAC內部必須有能自動加1或減1的地址寄存器;

(4)能決定傳送的字節數，並能判斷DMA傳送是否結束。DMA內部必須有能自動減1的字計數寄存器，計數結束產生終止計數信號;

(5)能發出DMA結束信號，釋放總線，使CPU恢復總線控制權;

(6)能發出讀、寫控制信號，包括存儲器訪問信號和I/O訪問信號。DMAC內部必須有時序和讀寫控制邏輯。

DMA傳輸過程

1、當外設有DMA需求，並且準備就緒，就向DMAC控制器發出DMA請求信號DREQ。

2、DMAC接到DMA請求信號後向CPU發出總線請求信號HRQ。該信號連接到CPU的HOLD信號。

       3、CPU接到總線請求信號以後，如果允許DMA傳輸，則會在當前總線週期結束後，發出DMA響應信號HLDA。一方面CPU將控制總線、數據總線和地址總線置高阻態，即放棄對總線的控制權；另一方面CPU將有效的HLDA信號送給DMAC，通知DMAC，CPU已經放棄了對總線的控制權。

       4、DMAC獲得對總線的控制權，並且向外設送出DMAC的應答信號DACK，通知外設可以開始進行DMA傳輸了。

       5、DMAC向存儲器發送地址信號和向存儲器及外設發出讀/寫控制信號，控制數據按初始化設定的方向傳送，實現外設與內存的數據傳輸。

       6、數據全部傳輸結束後，DMAC向CPU發HOLD信號，要求撤銷總線請求信號。CPU收到該信號以後，使HLDA無效，同時收回對總線的控制權。

DMA控制器的基本組成

一個DMA控制器，實際上是採用DMA方式的外圍設備與系統總線之間的接口電路，這個接口電路是在中斷接口的基礎上再加DMA機構組成。習慣上將DMA方式的接口電路稱爲DMA控制器。  

(1)內存地址計數器:用於存放內存中要交換的數據的地址。

(2)字計數器:用於記錄傳送數據塊的長度(多少字數)。

(3)數據緩衝寄存器:用於暫存每次傳送的數據(一個字)。

(4)"DMA請求"標誌:每當設備準備好一個數據字後給出一個控制信號，使"DMA請求"標誌置"1"。該標誌置位後向"控制/狀態"邏輯發出DMA請求，後者又向CPU發出總線使用權的請求(HOLD)，CPU響應此請求後發回響應信號HLDA，"控制/狀態"邏輯接收此信號後發出DMA響應信號，使"DMA 請求"標誌復位，爲交換下一個字做好準備。

 (5)"控制/狀態"邏輯:由控制和時序電路以及狀態標誌等組成，用於修改內存地址計數器和字計數器，指定傳送類型(輸入或輸出)，並對"DMA請求"信號和CPU響應信號進行協調和同步。

(6)中斷機構:當字計數器溢出時，意味着一組數據交換完畢，由溢出信號觸發中斷機構，向CPU提出中斷報告。

DMA的工作方式 （因爲DMA和CPU都要使用總線，工作方式的區分也就是基於總線的分配方式）

1,停止CPU訪內；  

總線全部給DMA使用。

2,周啓挪用方式；

週期挪用，又叫週期竊取，是指利用CPU不訪問存儲器的那些週期來實現DMA操作，此時DMA可以使用總線而不用通知CPU也不會妨礙CPU的工作。週期挪用並不減慢CPU的操作，但可能需要複雜的時序電路，而且數據傳輸過程是不連續的和不規則的。

（週期竊取，是DMA方式中由DMA接口向CPU申請佔用總線，佔用一個存取週期。）

與CPU暫停訪存的方式相比，它既實現了I/O傳送，又較好地發揮了主存與CPU的效率，是一種廣泛採用的方法。應該指出，I/O設備每挪用一個主存週期都要申請總線控制權、建立總線控制權和歸還總線控制級權。因此，儘管傳送一個字對主存而言只佔用一個主存週期，但對DMA接口而言，實質上要佔2—5個主存週期(由邏輯線路的延遲特性而定)。因此週期挪用的方法比較適合於I/O設備的讀寫週期大於主存週期的情況。

3，DMA與CPU交替訪內。

DMA傳輸方式

1，單字節傳輸方式；  

一次DMA只傳輸一個字節，效率很低。但是在傳輸過程中CPU有機會獲取對總線的控制器。

2，數據塊傳輸方式；  

數據以數據塊的方式進行傳輸。只要DREQ啓動就會連續地傳送數據塊。一次請求傳送一個數據塊，效率高。在數據的傳送期間，CPU長時間無法控制總線。

3，請求傳輸方式；

DREQ信號有效就連續傳輸數據，否則不能進行數據的傳輸。

4，級聯傳輸方式。

用於通過多個DMA控制器級聯以擴展通道。第一級只起優先權網絡的作用，實際的操作由第二級芯片完成。還可由第二級到第三級等。（多個DMAC）

DMA傳送類型

1，兩個設備之間；

2，設備和內存之間；（多數情況下，DMAC進行的是外設接口和內存之間的傳輸。）

3，內存和內存之間。

DMA讀：把數據由存儲器傳送到外設。

DMA寫：把外設輸入的數據寫入存儲器。

DMA檢驗（控操作）：DMAC不進行任何檢驗，外設可以進行DMA校驗，存儲器和 I/O 控制線保持無效，不進行傳送。

DMA技術的弊端

DMA傳送的優點是以增加系統硬件的複雜性和成本爲代價的，因爲DMA是用硬件控制代替軟件控制的。另外，DMA傳送期間CPU被掛起，部分或完全失去對系統總線的控制，這可能會影響CPU對中斷請求的及時響應與處理。因此，在一些小系統或速度要求不高、數據傳輸量不大的系統中，一般並不用DMA方式。

因爲DMA允許外設直接訪問內存，從而形成對總線的獨佔。這在實時性強的硬實時系統嵌入式開發中將會造成中斷延時過長。

參考網址：

http://weiqijun.blog.51cto.com/338163/71651/

http://baike.baidu.com/subview/32471/5048464.htm#reference-[1]-5048464-wrap