DMA知识

DMA(Direct Memory Access，直接内存存取)

DMA的英文拼写是“Direct Memory Access”，汉语的意思就是直接内存访问，是一种不经过CPU而直接从内存存取数据的数据交换模式。在DMA模式下，CPU只须向DMA控制器下达指令，让DMA控制器来处理数据的传送，数据传送完毕再把信息反馈给CPU，这样就很大程度上减轻了CPU资源占有率，可以大大节省系统资源。

DMA方式是一种完全由硬件进行组信息传送的控制方式。具有程序中断方式的优点，即在数据准备阶段，CPU与外设并行工作。DMA方式在外设与内存之间开辟一条“直接数据通路”，信息传送不再经过CPU，降低了CPU在传送数据时的开销，因此称为直接存储器存取方式，由于数据传送不再经过CPU，也就不需要保护、恢复CPU现场等繁琐操作。
这种方式适用于磁盘机、磁带机等高速设备大批量数据的传送，它的硬件开销比较大，在DMA方式中，中断的作用仅限于故障和正常传送结束时的处理。
1.DMA方式的特点
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。
DMA方式具有下列特点：
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。
④DMA传送数据块，CPU和外设并行工作，提高了系统效率。
⑤DMA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。
2.DMA控制器的组成
对数据传送过程中进行控制的硬件称为DMA控制器（DMA接口）。当I/O设备需要进行数据传送时，通过DMA控制器向CPU提出DMA传送请求，CPU响应之后让出系统总线，由DMA控制器接管总线进行数据传送。
1）接受外设发出的DMA请求，并向CPU发出总线请求。
2）CPU响应总线请求，发出总线响应信号，接管总线控制权，进入DMA操作周期。
3）确定传送数据的主存单元地址及长度，并能自动修改主存地址计数和传送长度计数。
4）规定数据在主存和外设间的传送方向，发出读写等控制信号，执行数据传送操作。
5）向CPU发送DMA操作的结束。
主存地址计数器：存放要交换数据的主存地址。
传送长度计数器：用来记录传送数据的长度。计数溢出时，数据即传送完毕，自动发出中断请求信号。
数据缓冲寄存器：用于暂存每次传送的数据。
DMA请求触发器：每当I/O设备准备好数据后给出一个控制信号，使DMA请求触发器置位。
“控制/状态”逻辑：由控制和时序电路及状态标志组成，用于指定传动方向，修改传送参数，并对DMA请求信号和CPU响应信号进行协调和同步。
中断机构：当一个数据块传送完毕后触发中断机构，向CPU提出中断请求。
在DMA传送过程中，DMA控制器将接管CPU的地址总线、数据总线和控制总线，CPU的主存控制信号被禁止使用。而当DMA传送结束后，将恢复CPU的一切权利并开始执行其操作。由此可见，DMA控制器必须具有控制系统总线的能力。
3.DMA的传送方式
主存和DMA控制器之间有一条数据通路，因此主存和I/O设备之间交换信息时。不通过CPU。但当I/O设备和CPU同时访问主存时，可能发生冲突，为了有效地使用主存，DMA控制器与CPU通常外用以下三种方式使用主存：
（1）停止CPU访问主存
这种方式是当外设需要传送组数据时，由DMA接口向CPU发送一个信号，要求CPU放弃地址线、数据线和有关控制线的使用权，DMA接口获得总线控制权后，开始进行数据传送，在数据传送结束后，DMA接口通知CPU可以使用主存，并把总线控制权交还给CPU。这种传送过程中，CPU基本处于不工作状态和保持原状态。
（2）DMA与CPU交替访存
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。
（3）周期挪用
这种方式是前两种方式的折中，当I/O设备没有DMA请求时，CPU按程序的要求访问主存，一旦I/O设备有了DMA请求，会遇到3种情况。第一种是此时CPU不在访存（如CPU正在执行乘法指令），故I/O的访存请求与CPU未发生冲突；第2种是CPU正在访存，则必须等待存取周期结束后，CPU再将总线占有权让出。第3种是I/O和CPU同时请求访存，出现了访存冲突，此时CPU要暂时放弃总线占用权，由I/O设备挪用一个或几个存取周期。
4.DMA的传送过程
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。
5.DMA方式和中断方式的区别
DMA方式和中断方式的重要区别：
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。
④DMA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。