dma技術(shù)的工作原理分析

　　DMA技術(shù)是Direct Memory Access的縮寫(xiě)。其意思是“存儲(chǔ)器直接訪(fǎng)問(wèn)”。它是指一種高速的數(shù)據(jù)傳輸操作，允許在外部設(shè)備和存儲(chǔ)器之間直接讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，既不通過(guò)CPU，也不需要CPU干預(yù)。

　　DMA是指外部設(shè)備不通過(guò)CPU而直接與系統(tǒng)內(nèi)存交換數(shù)據(jù)的接口技術(shù)。要把外設(shè)的數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存或把內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳送到外設(shè)，一般都要通過(guò)CPU控制完成，如CPU程序查詢(xún)或中斷方式。利用中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，可以大大提高CPU的利用率。 但是采用中斷傳送有它的缺點(diǎn)，對(duì)于一個(gè)高速I(mǎi)/O設(shè)備，以及批量交換數(shù)據(jù)的情況，只能采用DMA方式，才能解決效率和速度問(wèn)題。DMA在外設(shè)與內(nèi)存間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而不通過(guò)CPU，這樣數(shù)據(jù)傳送的速度就取決于存儲(chǔ)器和外設(shè)的工作速度。

　　整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸操作在一個(gè)稱(chēng)為“DMA控制器”的控制下進(jìn)行的。CPU除了在數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)始和結(jié)束時(shí)作一點(diǎn)處理外，在傳輸過(guò)程中CPU可以進(jìn)行其它的工作。這樣，在大部分時(shí)間里，CPU和輸入輸出都處在并行操作。因此，使整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率大大提高。

　　DMA原理

　　DMA原理：DMA（Direct Memory Access，直接內(nèi)存存取） 是所有現(xiàn)代電腦的重要特色，它允許不同速度的硬件裝置來(lái)溝通，而不需要依于 CPU 的大量 中斷 負(fù)載。否則，CPU 需要從 來(lái)源 把每一片段的資料復(fù)制到 暫存器，然后把他們?cè)俅螌?xiě)回到新的地方。在這個(gè)時(shí)間中，CPU 對(duì)于其他的工作來(lái)說(shuō)就無(wú)法使用。 DMA 傳輸將數(shù)據(jù)從一個(gè)地址空間復(fù)制到另外一個(gè)地址空間。當(dāng) CPU 初始化這個(gè)傳輸動(dòng)作，傳輸動(dòng)作本身是由 DMA 控制器 來(lái)實(shí)行和完成。典型的例子就是移動(dòng)一個(gè)外部?jī)?nèi)存的區(qū)塊到芯片內(nèi)部更快的內(nèi)存區(qū)。像是這樣的操作并沒(méi)有讓處理器工作拖延，反而可以被重新排程去處理其他的工作。DMA 傳輸對(duì)于高效能 嵌入式系統(tǒng) 算法和網(wǎng)絡(luò)是很重要的。

　　在實(shí)現(xiàn)DMA傳輸時(shí)，是由DMA控制器直接掌管總線(xiàn)，因此，存在著一個(gè)總線(xiàn)控制權(quán)轉(zhuǎn)移問(wèn)題。即DMA傳輸前，CPU要把總線(xiàn)控制權(quán)交給DMA控制器，而在結(jié)束DMA傳輸后，DMA控制器應(yīng)立即把總線(xiàn)控制權(quán)再交回給CPU。 一個(gè)完整的DMA傳輸過(guò)程必須經(jīng)過(guò)下面的4個(gè)步驟。

　　一、DMA傳輸過(guò)程

1.DMA請(qǐng)求

　　CPU對(duì)DMA控制器初始化，并向I/O接口發(fā)出操作命令，I/O接口提出DMA請(qǐng)求。

2.DMA響應(yīng)

　　DMA控制器對(duì)DMA請(qǐng)求判別優(yōu)先級(jí)及屏蔽，向總線(xiàn)裁決邏輯提出總線(xiàn)請(qǐng)求。當(dāng)CPU執(zhí)行完當(dāng)前總線(xiàn)周期即可釋放總線(xiàn)控制權(quán)。此時(shí)，總線(xiàn)裁決邏輯輸出總線(xiàn)應(yīng)答，表示DMA已經(jīng)響應(yīng)，通過(guò)DMA控制器通知I/O接口開(kāi)始DMA傳輸。

　　3.DMA傳輸

　　DMA控制器獲得總線(xiàn)控制權(quán)后，CPU即刻掛起或只執(zhí)行內(nèi)部操作，由DMA控制器輸出讀寫(xiě)命令，直接控制RAM與I/O接口進(jìn)行DMA傳輸。 在DMA控制器的控制下，在存儲(chǔ)器和外部設(shè)備之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，在傳送過(guò)程中不需要中央處理器的參與。開(kāi)始時(shí)需提供要傳送的數(shù)據(jù)的起始位置和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

　　4.DMA結(jié)束

　　當(dāng)完成規(guī)定的成批數(shù)據(jù)傳送后，DMA控制器即釋放總線(xiàn)控制權(quán)，并向I/O接口發(fā)出結(jié)束信號(hào)。當(dāng)I/O接口收到結(jié)束信號(hào)后，一方面停 止I/O設(shè)備的工作，另一方面向CPU提出中斷請(qǐng)求，使CPU從不介入的狀態(tài)解脫，并執(zhí)行一段檢查本次DMA傳輸操作正確性的代碼。最后，帶著本次操作結(jié)果及狀態(tài)繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)的程序。

　　由此可見(jiàn)，DMA傳輸方式無(wú)需CPU直接控制傳輸，也沒(méi)有中斷處理方式那樣保留現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)的過(guò)程，通過(guò)硬件為RAM與I/O設(shè)備開(kāi)辟一條直接傳送數(shù)據(jù)的通路，使CPU的效率大為提高。

　　二、DMA傳送方式 DMA技術(shù)的出現(xiàn)，

使得外圍設(shè)備可以通過(guò)DMA控制器直接訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存，與此同時(shí)，CPU可以繼續(xù)執(zhí)行程序．那么DMA控制器與CPU怎樣分時(shí)使用內(nèi)存呢？通常采用以下三種方法：

　　（1）停止CPU訪(fǎng)內(nèi)；

　?。?）周期挪用；

　?。?）DMA與CPU交替訪(fǎng)內(nèi)存．

　　1.停止CPU訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存

　　當(dāng)外圍設(shè)備要求傳送一批數(shù)據(jù)時(shí)，由DMA控制器發(fā)一個(gè)停止信號(hào)給CPU，要求CPU放棄對(duì)地址總線(xiàn)、數(shù)據(jù)總線(xiàn)和有關(guān)控制總線(xiàn)的使用權(quán)．DMA控制器獲得總線(xiàn)控制權(quán)以后，開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送．在一批數(shù)據(jù)傳送完畢后，DMA控制器通知CPU可以使用內(nèi)存，并把總線(xiàn)控制權(quán)交還給CPU．圖8．16（a）是這種傳送方式的時(shí)間圖．很顯然，在這種DMA傳送過(guò)程中，CPU基本處于不工作狀態(tài)或者說(shuō)保持狀態(tài)。

　　優(yōu)點(diǎn)： 控制簡(jiǎn)單，它適用于數(shù)據(jù)傳輸率很高的設(shè)備進(jìn)行成組傳送。

　　缺點(diǎn)： 在DMA控制器訪(fǎng)內(nèi)階段，內(nèi)存的效能沒(méi)有充分發(fā)揮，相當(dāng)一部分內(nèi)存工作周期是空閑的。這是因?yàn)?，外圍設(shè)備傳送兩個(gè)數(shù)據(jù)之間的間隔一般總是大于內(nèi)存存儲(chǔ)周期，即使高速I(mǎi)/O設(shè)備也是如此。例如，軟盤(pán)讀出一個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)大約需要32us，而半導(dǎo)體內(nèi)存的存儲(chǔ)周期小于0.5us，因此許多空閑的存儲(chǔ)周期不能被CPU利用．

　　2.周期挪用： 當(dāng)I/O設(shè)備沒(méi)有DMA請(qǐng)求時(shí)，CPU按程序要求訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存；一旦I/O設(shè)備有DMA請(qǐng)求，則由I/O設(shè)備挪用一個(gè)或幾個(gè)內(nèi)存周期。

　　這種傳送方式的時(shí)間圖如下：

　　I/O設(shè)備要求DMA傳送時(shí)可能遇到兩種情況：

　?。?） 此時(shí)CPU不需要訪(fǎng)內(nèi)，如CPU正在執(zhí)行乘法指令。由于乘法指令執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng)，此時(shí)I/O訪(fǎng)內(nèi)與CPU訪(fǎng)內(nèi)沒(méi)有沖突，即I/O設(shè)備挪用一二個(gè)內(nèi)存周期對(duì)CPU執(zhí)行程序沒(méi)有任何影響。

　　（2） I/O設(shè)備要求訪(fǎng)內(nèi)時(shí)CPU也要求訪(fǎng)內(nèi)，這就產(chǎn)生了訪(fǎng)內(nèi)沖突，在這種情況下I/O設(shè)備訪(fǎng)內(nèi)優(yōu)先，因?yàn)镮/O訪(fǎng)內(nèi)有時(shí)間要求，前一個(gè)I/O數(shù)據(jù)必須在下一個(gè)訪(fǎng)內(nèi)請(qǐng)求到來(lái)之前存取完畢。顯然，在這種情況下I/O 設(shè)備挪用一二個(gè)內(nèi)存周期，意味著CPU延緩了對(duì)指令的執(zhí)行，或者更明確地說(shuō)，在CPU執(zhí)行訪(fǎng)內(nèi)指令的過(guò)程中插入DMA請(qǐng)求，挪用了一二個(gè)內(nèi)存周期。 與停止CPU訪(fǎng)內(nèi)的DMA方法比較，周期挪用的方法既實(shí)現(xiàn)了I/O傳送，又較好地發(fā)揮了內(nèi)存和CPU的效率，是一種廣泛采用的方法。但是I/O設(shè)備每一次周期挪用都有申請(qǐng)總線(xiàn)控制權(quán)、建立線(xiàn)控制權(quán)和歸還總線(xiàn)控制權(quán)的過(guò)程，所以傳送一個(gè)字對(duì)內(nèi)存來(lái)說(shuō)要占用一個(gè)周期，但對(duì)DMA控制器來(lái)說(shuō)一般要2—5個(gè)內(nèi)存周期（視邏輯線(xiàn)路的延遲而定）。因此，周期挪用的方法適用于I/O設(shè)備讀寫(xiě)周期大于內(nèi)存存儲(chǔ)周期的情況。

　　3.DMA與CPU交替訪(fǎng)內(nèi) 如果CPU的工作周期比內(nèi)存存取周期長(zhǎng)很多，此時(shí)采用交替訪(fǎng)內(nèi)的方法可以使DMA傳送和CPU同時(shí)發(fā)揮最高的效率。假設(shè)CPU工作周期為 1.2μs，內(nèi)存存取周期小于0.6μs，那么一個(gè)CPU周期可分為C1和C2兩個(gè)分周期，其中C1供DMA控制器訪(fǎng)內(nèi)，C2專(zhuān)供CPU訪(fǎng)內(nèi)。

　　這種傳送方式的時(shí)間圖如下：

　　下頁(yè)圖是DMA與CPU交替訪(fǎng)內(nèi)的詳細(xì)時(shí)間圖．假設(shè)CPU工作周期為1.2us，內(nèi)存存取周期小于0.6us，那么一個(gè)CPU周期可分為C1和C2兩個(gè)分周期，其中C1專(zhuān)供DMA控制器訪(fǎng)內(nèi)，C2專(zhuān)供CPU訪(fǎng)內(nèi)．

　　這種方式不需要總線(xiàn)使用權(quán)的申請(qǐng)、建立和歸還過(guò)程，總線(xiàn)使用權(quán)是通過(guò)C1和C2分時(shí)制的。CPU和DMA控制器各自有自己的訪(fǎng)內(nèi)地址寄存器、數(shù)據(jù)寄存器和讀/寫(xiě)信號(hào)等控制寄存器。在C1周期中，如果DMA控制器有訪(fǎng)內(nèi)請(qǐng)求，可將地址、數(shù)據(jù)等信號(hào)送到總線(xiàn)上。在C2周期中，如CPU有訪(fǎng)內(nèi)請(qǐng)求，同樣傳送地址、數(shù)據(jù)等信號(hào)。事實(shí)上，對(duì)于總線(xiàn)，這是用C1，C2控制的一個(gè)多路轉(zhuǎn)換器，這種總線(xiàn)控制權(quán)的轉(zhuǎn)移幾乎不需要什么時(shí)間，所以對(duì)DMA傳送來(lái)講效率是很高的。

　　這種傳送方式又稱(chēng)為“透明的DMA”方式，其來(lái)由是這種DMA傳送對(duì)CPU來(lái)說(shuō)，如同透明的玻璃一般，沒(méi)有任何感覺(jué)或影響。在透明的DMA方式下工作，CPU既不停止主程序的運(yùn)行，也不進(jìn)入等待狀態(tài)，是一種高效率的工作方式。當(dāng)然，相應(yīng)的硬件邏輯也就更加復(fù)雜。