DMA傳送
一、控制方式
主機與外設之間數據傳送的控制方式有以下四種：
• 無條件傳送
• 查詢式傳送
• 中斷方式傳送
• 直接存儲器存取(DMA, Direct Memory Access)
（一）、無條件傳送方式
適用於總是處於準備好狀態的外設
• 直接對IO口寄存器進行讀寫（如GPIO讀寫）
• 以下外設可採用無條件傳送方式：
• 開關
• 發光器件(如發光二極管、7段數碼管、燈泡等)
• 繼電器
• 步進電機
• 優點：軟件及接口硬件簡單
• 缺點：只適用於簡單外設，適應範圍較窄
（二）、查詢方式傳送
• 適用於外設並不總是準備好，而且對傳送速率、傳送效率要求不高的場合。
• CPU在與外設交換數據前必須詢問外設狀態——“你準備好沒有？”
• 對外設的要求：應提供設備狀態信息
• 對接口的要求：需要提供狀態端口
• 優點：軟件比較簡單
• 缺點：CPU效率低，數據傳送的實時性差，速度較慢
（三）、中斷方式傳送
CPU無需循環查詢外設狀態，而是外部設備在需要進行數據傳送時才中斷CPU正在進行的工作，讓CPU來爲其服務。即CPU在沒有外設請求時可以去做更重要的事情，有請求時纔去傳輸數據，從而大大提高了CPU的利用率。
• 優點：CPU效率高，實時性好，速度快。
• 缺點：程序編制較爲複雜，如果需要進行大量數據傳輸，頻繁響應中斷，由於每次都需要保存現場，導致CPU執行效率底下。
二、傳輸原理
- DMA設置 ⑦
CPU通過寫入控制器的
相應寄存器設置源、目
標地址及傳輸數等信息。 - DMA傳輸
① 外設發出DMA請求
② DMAC向CPU申請總線
③ CPU完成當前總線週期後響應，並釋放總線控制權
④ DMAC得到總線控制權，併發出DMA響應信號
⑤ 由DMAC發出各種控制信號，控制外設與存儲器之間的數據傳送
⑥ 數據傳送完後，DMAC撤銷HOLD信號
⑦ CPU釋放HLDA信號，並重新控制總線
三、DMA控制器
使用DMA方式傳輸時，需要一個專門的器件來協調外設接口和內存儲器的數據傳輸，該器件稱爲DMA控制器。一個DMAC可以有多個通道連接到不同外設。
DMAC內部的主要寄存器：
• 地址寄存器：存放DMA傳輸時存儲單元地址和外設數據寄存器地址；
• 字節計數器：存放DMA傳輸的字節數；
• 控制寄存器：存放由CPU設定的DMA傳輸方式，控制命令等；
• 狀態寄存器：存放DMAC當前的狀態，包括有無DMA請求，是否結束等。
• DMAC在系統中的二種不同角色：
• 總線從模塊：
CPU對DMAC進行預置操作，也就是向DMAC寫入內存傳送區的首地址、傳送字節數和控制字時，DMAC相當於一個外設接口，稱爲總線從模塊。
• 總線主模塊：
進行DMA傳輸時，CPU暫停對系統總線的控制，DMAC取得了對總線的控制權，這時的DMAC稱爲總線主模塊。
DMA控制器的工作過程
① 當外設準備好，可以進行DMA傳送時，外設向DMA控制器發出“DMA傳送請求”信號（DRQ）；
② DMA控制器收到請求後，向CPU發出“總線請求”信號HOLD，表示希望佔用線；
③ CPU在完成當前總線週期後會立即對HOLD信號進行響應。響應包括兩個動作：一是CPU將數據總線、地址總線和相應的控制信號線均置爲高阻態，由此放棄對總線的控制權。另一方面，CPU向DMA控制器發出“總線響應”信號（HLDA）。
④ DMA控制器收到HLDA信號後，就開始控制總線，並向外設發出DMA響應信號DACK；
⑤ DMA控制器送出地址信號和相應的控制信號，實現外設與內存或內存與內存之間的直接數據傳送；例如，向I/O接口發出讀信號，同時往地址總線上發出存儲器的地址和存儲器寫信號和AEN信號，即可從外設向內存傳送一個字節。
⑥ DMA控制器自動修改地址和字節計數器，並判斷是否需要重複傳送操作。
⑦ 結束：當規定的數據傳送完後，DMA控制器就撤銷發往CPU的HOLD信號。CPU檢測到HOLD失效後，緊接着撤銷HLDA信號，並在下一時鐘週期重新開始控制總線。
四、傳輸方式
• DMA的三種傳輸方式:
• 連續傳送（塊傳送）
• DMAC申請到總線後，將一塊數據傳送完後才釋放總線，而不管中間DREQ是否有效。
• 單次傳送（每次傳送一個字節）
• 每個DMA週期只傳送一個字節就立即釋放總線。
• 按需傳送（猝發傳送）
• 只要I/O接口的數據緩衝可用(非空或未滿)，就進行傳送。
(注：I/O接口需要有一定大小的FIFO緩衝)
五、DMA與主存交換數據的方法
• 當CPU需要訪問DMA的外設時：當前外設訪問不可，其他外設訪問可能（如通過總線矩陣）
• 當CPU與DMA同時訪問內存時有3種處理方式：
1、停止CPU訪問主存
2、週期挪用（週期竊取，DMA竊取CPU總線週期）
3、DMA與CPU交替訪問
1、停止CPU訪問主存
• 當外圍設備要求傳送一批數據時，由DMA控制器發一個停止信號給CPU，要求CPU放棄對地址總線、數據總線和有關控制總線的使用權。DMA控制器獲得總線控制權以後，開始進行數據傳送。在一批數據傳送完畢後，DMA控制器通知CPU可以使用內存，並把總線控制權交還給CPU。在這種DMA傳送過程 中，CPU基本處於不工作狀態或者說保持狀態。
• 優點：控制簡單，它適用於數據傳輸率很高的設備進行成組傳送。
• 缺點：在DMA控制器訪內階段，內存的效能沒有充分發揮，相當一部分內存工作周
期是空閒的。這是因爲，外圍設備傳送兩個數據之間的間隔一般總是大於內存存儲周
期，即使高速I/O設備也是如此。
2、週期挪用（週期竊取）
• 當I/O設備沒有DMA請求時，CPU按程序要求訪問內存；一旦I/O設備有DMA請求，則由I/O設備挪用一個或幾個內存週期。
• I/O設備請求DMA傳送有三種情況：
- CPU此時不需要訪問主存（I/O設備與CPU無衝突）
- CPU此時正在訪問主存（必須等待存取週期結束，CPU才能將總線控制權讓出）
- I/O設備與CPU都要求訪問主存（在CPU執行訪問主存指令的過程中插入DMA請求，並挪用了一二個內存週期）
• 優點：既實現了I/O傳送，又較好地發揮了內存和CPU的效率，是一種廣泛採用的方法。
• 缺點：I/O設備每一次週期挪用都有申請總線控制權、建立總線控制權和歸還總線控制權的過程，所以傳送一個字對內存來說要佔用一個週期，但對DMA控制器來說一般要2—5個 內存週期（視邏輯線路的延遲而定）。因此，週期挪用的方法適用於I/O設備讀寫週期大於內存存儲週期的情況。
3、DMA與CPU交替訪問
• DMA與CPU相互配合，交替執行，時分複用。這種DMA傳送對CPU來說，如同透
明的玻璃一般，沒有任何感覺或影響。在透明的DMA方式下工作，CPU既不停止
主程序的運行，也不進入等待狀態，是一種高效率的工作方式。當然，相應的硬件
邏輯也就更加複雜。
• 優點：不需要總線使用權的申請、建立和歸還過程，總線使用權是通過DMA訪存
和CPU訪存分時進行的。CPU既不停止主程序的運行，也不進入等待狀態，是一種
高效率的工作方式
• 缺點：相應的硬件邏輯更加複雜。