【博客364】数据快递员：DMA

内容： 记录用于加快数据传输，减低cpu工作量的DMA

DMA概念： Direct Memory Access

DMA 是所有现代电脑的重要特色，允许不同速度的硬件装置来沟通，而不需要依于CPU的大量中断负载。
否则，CPU 需要从来源把每一片段的数据复制到暂存器，然后把他们再次写回到新的地方。在这个时间中，
CPU对于其他的工作来说就无法使用。

DMA是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）。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传输将一个内存区从一个装置复制到另外一个。当CPU初始化这个传输动作，传输动作本身是由DMA控制器
来实行和完成。

典型的例子就是移动一个外部内存的区块到芯片内部更快的内存去。像是这样的操作并没有让处理器工作拖延，
反而可以被重新排程去处理其他的工作。DMA传输对于高效能嵌入式系统算法和网络是很重要的。　

在实现DMA传输时，是由DMA控制器直接掌管总线，因此，存在着一个总线控制权转移问题。即DMA传输前，
CPU要把总线控制权交给DMA控制器，而在结束DMA传输后，DMA控制器应立即把总线控制权再交回给CPU。

DMA概念总结：

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。

DMA适用场合:

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）概念及其功能：

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;

(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控制器的组成：

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。

结构图：

DMA传输过程：

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的工作方式：

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、周期挪用方式：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：这种方式适用于CPU的工作周期比主存存取周期长的情况。
例如，CPU的工作周期是1.2us，主存的存取周期小于0.6us，那么可将一个CPU周期分为C1和C2两个周期。
其中C1专供DMA访存，C2专供CPU访存。这种方式不需要总线使用权的申请、建立和归还过程，总线使用权
是通过C1和C2分时控制的。

DMA的传输方式：

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的传输设备种类：

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。

DMA的特点：

主存和DMA接口之间有一条直接数据通路。由于DMA方式传送数据不需要经过CPU，因此不必中断现行程序，
I/O与主机并行工作，程序和传送并行工作。


1、它使主存与CPU的固定联系脱钩，主存既可被CPU访问，又可被外存访问。

2、在数据块传送时，主存地址的确定、传送数据的计数等由硬件电路直接实现。

3、主存中要开辟专用缓冲区，及时供给和接受外设的数据。

4、DMA传送数据块，CPU和外设并行工作，提高了系统效率。

5、DMA在传送开始前要通过程序进行预处理，结束后要通过中断方式进行后处理。

DMA的数据传送过程：

DMA的数据传送分为预处理、数据传送和后处理3个阶段。

（1）预处理

由CPU完成一些必要的准备工作。首先，CPU执行几条I/O指令，用以测试I/O设备状态，向DMA控制器的有
关寄存器置初值，设置传送方向、启动该设备等。然后，CPU继续执行原来的程序，直到I/O设备准备好发
送的数据（输入情况）或接受的数据（输出情况）时，I/O设备向DMA控制器发送DMA请求，再由DMA控制器
向CPU发送总线请求（有时将这两个过程统称为DMA请求），用以传输数据。

（2）数据传送

DMA的数据传输可以以单字节（或字）为基本单位，对于以数据块为单位的传送（如硬盘），DMA占用总线后
的数据输入和输出操作都是通过循环来实现的。需要指出的是，这一循环也是由DMA控制器（而不是通过CPU
执行程序）实现的，也就是说，数据传送阶段是完全由DMA(硬件)来控制的。

（3）后处理

DMA控制器向CPU发送中断请求，CPU执行中断服务程序做DMA结束处理，包括检验送入主存的数据是否正确，
测试传送过程中是否出错（错误则转入诊断程序）和决定是否继续使用DMA传送其他数据块等。

DMA传输与传统中断模式触发传输的区别：

1、中断方式是程序的切换，需要保护和恢复现场，而DMA方式除了预处理和后处理，其他时候不占用CPU
的任何资源。


2、对中断请求的响应只能发生在每条指令执行完毕时（即指令的执行周期之后），而对DMA请求的响应
可以发生在每个机器周期的结束时（在取值周期，间址周期，执行周期之后均可），只要CPU不占用总线
就可以被响应。

3、中断传输过程需要CPU的干预；而DMA传输过程不需要CPU的干预，故数据传输速率非常高，适合高速
外设的成组数据传送。

4、DMA请求的优先级高于中断请求。

5、中断方式具有对异常事件的处理能力，而DMA方式仅局限于传输数据块的I/O操作。

6、从数据传送来看，中断方式靠程序传送，DMA方式靠硬件传送。

DMA快在哪里？

利用它进行数据传送时不需要CPU的参与。每台电脑主机板上都有DMA控制器，通常计算机对其编程，
并用一个适配器上的ROM(如软盘驱动控制器上的ROM)来储存程序，这些程序控制DMA传送数据。
一旦控制器初始化完成，数据开始传送，DMA就可以脱离CPU，独立完成数据传送。

在DMA传送开始的短暂时间内，基本上有两个处理器为它工作，一个执行程序代码，一个传送数据。
利用DMA传送数据的另一个好处是，数据直接在源地址和目的地址之间传送，不需要中间媒介。
如果通过CPU把一个字节从适配卡传送至内存，需要两步操作。首先，CPU把这个字节从适配卡读到
内部寄存器中，然后再从寄存器传送到内存的适当地址。DMA控制器将这些操作简化为一步，它操作
总线上的控制信号，使写字节一次完成。这样大大提高了计算机运行速度和工作效率。

DMA注意点：

1、DMA使用物理地址，程序是使用虚拟地址的，所以配置DMA时必须将虚拟地址转化成物理地址。

2、因为程序使用虚拟地址，而且一般使用cache地址，所以Cache中的内容与其物理地址（内存）
的内容不一定一致，所以在启动DMA传输前一定要将该地址的cache刷新，即写入内存。

3、OS并不能保证每次分配到的内存空间在物理上是连续的。尤其是在系统使用过一段时间而又分配了
一块比较大的内存时。所以每次都需要判断地址是不是连续的，如果不连续就需要把这段内存分成
几段让DMA完成传输