目录

DMA总结

原文:https://blog.csdn.net/wuyongpeng0912/article/details/46634931

概念

“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。

https://gitee.com/lienhui68/picStore/raw/master/null/20200831104252.png

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. 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. 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. 周期挪用

    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工作的弊端

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。