DMA-总结

概念
DMA “Direct Memory Access（存储器直接访问）。这是指一种高速的数据传输操作，允许在外部设备和存储器之间直接读写数据。整个数据传输操作在一个称为"DMA控制器"的控制下进行的。CPU除了在数据传输开始和结束时做一点处理外（开始和结束时候要做中断处理），在传输过程中CPU可以进行其他的工作（前提是未设置停止CPU访问）。这样，在大部分时间里，CPU和输入输出都处于并行操作。因此，使整个计算机系统的效率大大提高”。

DMA传送方式是让存储器与外设、或外设与外设之间直接交换数据，不需要经过CPU的累加器中转，减少了这个中间环节，并且内存地址的修改、传送完毕的结束报告都是由硬件电路实现的，因此大大地提高了数据的传输速度。一个DMA传送只需要执行一个DMA周期，相当于一个总线读写周期。

DMA是在专门的硬件（ DMA）控制下，实现高速外设和主存储器之间自动成批交换数据尽量减少CPU干预的输入/输出操作方式。

适用场合
DMA方式主要适用于一些高速的I/O设备。这些设备传输字节或字的速度非常快。对于这类高速I/O设备，如果用输入输出指令或采用中断的方法来传输字节信息，会大量占用CPU的时间，同时也容易造成数据的丢失。而DMA方式能使I/O设备直接和存储器进行成批数据的快速传送。

DMA传送主要用于需要高速大批量数据传送的系统中，以提高数据的吞吐量。如磁盘存取、图像处理、高速数据采集系统、同步通信中的收/发信号等方面应用甚广。通常只有数据流量较大(kBps或者更高)的外设才需要支持DMA能力，这些应用方面典型的例子包括视频、音频和网络接口。

DMA控制器（DMAC）
DMA传送虽然脱离CPU的控制，但并不是说DMA传送不需要进行控制和管理。通常是采用DMA控制器来取代CPU，负责DMA传送的全过程控制。目前DMA控制器都是可编程的大规模集成芯片。

DMA控制器是内存储器同外设之间进行高速数据传送时的硬件控制电路，是一种实现直接数据传送的专用处理器，它必须能取代在程序控制传送中由CPU和软件所完成的各项功能。它的主要功能是:
(1)DMAC同外设之间有一对联络信号线--外设的DMA请求信号DREQ以及 DMAC向外设发出的DMA响应信号DACK;（如下图）
(2)DMAC在接收到DREQ后，同CPU之间也有一对联络信号线--DMAC向CPU 发出总线请求信号(HOLD或BUSRQ)，CPU在当前总线周期结束后向DMAC发出总线响应信号(HLDA或BUSAK)，DMAC接管对总线的控制权，进入DMA操作方式;
(3)能发出地址信息，对存储器寻址，并修改地址指针，DMAC内部必须有能自动加1或减1的地址寄存器;
(4)能决定传送的字节数，并能判断DMA传送是否结束。DMA内部必须有能自动减1的字计数寄存器，计数结束产生终止计数信号;
(5)能发出DMA结束信号，释放总线，使CPU恢复总线控制权;
(6)能发出读、写控制信号，包括存储器访问信号和I/O访问信号。DMAC内部必须有时序和读写控制逻辑。

DMA传输过程
1、当外设有DMA需求，并且准备就绪，就向DMAC控制器发出DMA请求信号DREQ。
2、DMAC接到DMA请求信号后向CPU发出总线请求信号HRQ。该信号连接到CPU的HOLD信号。 3、CPU接到总线请求信号以后，如果允许DMA传输，则会在当前总线周期结束后，发出DMA响应信号HLDA。一方面CPU将控制总线、数据总线和地址总线置高阻态，即放弃对总线的控制权；另一方面CPU将有效的HLDA信号送给DMAC，通知DMAC，CPU已经放弃了对总线的控制权。
4、DMAC获得对总线的控制权，并且向外设送出DMAC的应答信号DACK，通知外设可以开始进行DMA传输了。
5、DMAC向存储器发送地址信号和向存储器及外设发出读/写控制信号，控制数据按初始化设定的方向传送，实现外设与内存的数据传输。
6、数据全部传输结束后，DMAC向CPU发HOLD信号，要求撤销总线请求信号。CPU收到该信号以后，使HLDA无效，同时收回对总线的控制权。

DMA控制器的基本组成
一个DMA控制器，实际上是采用DMA方式的外围设备与系统总线之间的接口电路，这个接口电路是在中断接口的基础上再加DMA机构组成。习惯上将DMA方式的接口电路称为DMA控制器。
(1)内存地址计数器:用于存放内存中要交换的数据的地址。
(2)字计数器:用于记录传送数据块的长度(多少字数)。
(3)数据缓冲寄存器:用于暂存每次传送的数据(一个字)。
(4)"DMA请求"标志:每当设备准备好一个数据字后给出一个控制信号，使"DMA请求"标志置"1"。该标志置位后向"控制/状态"逻辑发出DMA请求，后者又向CPU发出总线使用权的请求(HOLD)，CPU响应此请求后发回响应信号HLDA，"控制/状态"逻辑接收此信号后发出DMA响应信号，使"DMA 请求"标志复位，为交换下一个字做好准备。
(5)"控制/状态"逻辑:由控制和时序电路以及状态标志等组成，用于修改内存地址计数器和字计数器，指定传送类型(输入或输出)，并对"DMA请求"信号和CPU响应信号进行协调和同步。
(6)中断机构:当字计数器溢出时，意味着一组数据交换完毕，由溢出信号触发中断机构，向CPU提出中断报告。

DMA的工作方式 （因为DMA和CPU都要使用总线，工作方式的区分也就是基于总线的分配方式）
1、停止CPU访内；
总线全部给DMA使用。
2、周启挪用方式；
周期挪用，又叫周期窃取，是指利用CPU不访问存储器的那些周期来实现DMA操作，此时DMA可以使用总线而不用通知CPU也不会妨碍CPU的工作。周期挪用并不减慢CPU的操作，但可能需要复杂的时序电路，而且数据传输过程是不连续的和不规则的。
（周期窃取，是DMA方式中由DMA接口向CPU申请占用总线，占用一个存取周期。）
与CPU暂停访存的方式相比，它既实现了I/O传送，又较好地发挥了主存与CPU的效率，是一种广泛采用的方法。应该指出，I/O设备每挪用一个主存周期都要申请总线控制权、建立总线控制权和归还总线控制级权。因此，尽管传送一个字对主存而言只占用一个主存周期，但对DMA接口而言，实质上要占2—5个主存周期(由逻辑线路的延迟特性而定)。因此周期挪用的方法比较适合于I/O设备的读写周期大于主存周期的情况。
3、DMA与CPU交替访内。

DMA传输方式
1、单字节传输方式；
一次DMA只传输一个字节，效率很低。但是在传输过程中CPU有机会获取对总线的控制器。
2、数据块传输方式；
数据以数据块的方式进行传输。只要DREQ启动就会连续地传送数据块。一次请求传送一个数据块，效率高。在数据的传送期间，CPU长时间无法控制总线。
3、请求传输方式；
DREQ信号有效就连续传输数据，否则不能进行数据的传输。
4、级联传输方式。
用于通过多个DMA控制器级联以扩展通道。第一级只起优先权网络的作用，实际的操作由第二级芯片完成。还可由第二级到第三级等。（多个DMAC）

　　　　　　　　　　　　DMA控制器级联图

DMA传送类型
1、两个设备之间；
2、设备和内存之间；（多数情况下，DMAC进行的是外设接口和内存之间的传输。）
3、内存和内存之间。
DMA读：把数据由存储器传送到外设。
DMA写：把外设输入的数据写入存储器。
DMA检验（控操作）：DMAC不进行任何检验，外设可以进行DMA校验，存储器和 I/O 控制线保持无效，不进行传送。

DMA技术的弊端
DMA传送的优点是以增加系统硬件的复杂性和成本为代价的，因为DMA是用硬件控制代替软件控制的。另外，DMA传送期间CPU被挂起，部分或完全失去对系统总线的控制，这可能会影响CPU对中断请求的及时响应与处理。因此，在一些小系统或速度要求不高、数据传输量不大的系统中，一般并不用DMA方式。
因为DMA允许外设直接访问内存，从而形成对总线的独占。这在实时性强的硬实时系统嵌入式开发中将会造成中断延时过长。

参考自：http://blog.51cto.com/weiqijun/71651