DMA方式

成组数据传送方式

DMA方式，Direct Memory Access，也称为成组数据传送方式，有时也称为直接内存操作。DMA方式在数据传送过程中，没有保存现场、恢复现场之类的工作。

工作原理

原理

一个设备接口试图通过总线直接向另一个设备发送数据(一般是大批量的数据)，它会先向CPU发送DMA请求信号。外设通过DMA的一种专门接口电路――DMA控制器（DMAC），向CPU提出接管总线控制权的总线请求，CPU收到该信号后，在当前的总线周期结束后，会按DMA信号的优先级和提出DMA请求的先后顺序响应DMA信号。CPU对某个设备接口响应DMA请求时，会让出总线控制权。于是在DMA控制器的管理下，外设和存储器直接进行数据交换，而不需CPU干预。数据传送完毕后，设备接口会向CPU发送DMA结束信号，交还总线控制权。

DMA方式的主要优点是速度快。

基本操作

实现DMA传送的基本操作如下：

1、外设可通过DMA控制器向CPU发出DMA请求；

2、CPU响应DMA请求，系统转变为DMA工作方式，并把总线控制权交给DMA控制器；

3、由DMA控制器发送存储器地址，并决定传送数据块的长度；

4、执行DMA传送；

5、DMA操作结束，并把总线控制权交还CPU。

用途

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控制器或接口一般包括四个寄存器：

1：状态控制寄存器、

2：数据寄存器、

3：地址寄存器、

4：字节计数器。

这些寄存器在信息传送之前需要进行初始化设置。即在输入输出程序中用汇编语言指令对各个寄存器写入初始化控制字。

方式特点

DMA 是所有现代电脑的重要特色，他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资料复制到暂存器，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 传输将一个内存区从一个装置复制到另外一个， 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。

举个例子，PC ISA DMA控制器拥有 8 个 DMA 通道，其中的 7 个通道是可以让 PC 的 CPU 所利用。每一个 DMA 通道有一个 16位元位址暂存器和一个 16 位元计数暂存器。要初始化资料传输时，装置驱动程式一起设定 DMA 通道的位址和计数暂存器，以及资料传输的方向，读取或写入。然后指示 DMA 硬件开始这个传输动作。当传输结束的时候，装置就会以中断的方式通知 CPU。

但是，DMA传输方式只是减轻了CPU的工作负担；系统总线仍然被占用。特别是在传输大容量文件时，CPU的占用率可能不到10%，但是用户会觉得运行部分程序时系统变得相当的缓慢。主要原因就是在运行这些应用程序（特别是一些大型软件），操作系统也需要从系统总线传输大量数据；故造成过长的等待时间。

传送方式

DMA传送方式有3种：单元传送方式、块传送方式和on－the－fly传送方式。与外部DMA请求/应答协议不同的是，DMA传送方式定义了每次传送读/写的单元数，如表所示。

（1）单元传送方式（单字节传送方式）

单元传送方式意味着每个DMA请求对应一对DMA读/写周期，即1个单元读，然后1个单元写。

（2）块传送方式（连续传送方式）

块传送方式意味着在连续4个字的DMA写周期前有连续的4个字的DMA读周期，即4个字突发读，然后4个字突发写，因此传输的数据个数应该是16字节的倍数。

如果传送大小或者DMA计数值不是16的倍数，则DMA将不能完整地传送完数据。假设要传送的数据为50个字节，则3*16=48字节，会导致2个字节不能被传送，DMA在传送48个字节后停止。所以，选择DMA块传送方式时，一定要注意这一点。

（3）on－the－fly传送方式（请求传送方式）

在on－the－fly传送方式下DMA读/写可以同时进行。DMA应答信号通知外部设备去读或者写。同时，存储控制器将产生与读/写相关的控制信号给外部存储器。如果外部设备能够支持on－the－fly传送方式，将会使得外设的数据传输速率大大地增加。

停止CPU访问内存

当外围设备要求传送一批数据时，由DMA控制器发一个停止信号给CPU，要求CPU放弃对地址总线、数据总线和有关控制总线的使用权。DMA控制器获得总线控制权以后，开始进行数据传送。在一批数据传送完毕后，DMA控制器通知CPU可以使用内存，并把总线控制权交还给CPU。在这种DMA传送过程中，CPU基本处于不工作状态或者说保持状态。

优点：控制简单，它适用于数据传输率很高的设备进行成组传送。

缺点：在DMA控制器访内阶段，内存的效能没有充分发挥，相当一部分内存工作周期是空闲的。这是因为，外围设备传送两个数据之间的间隔一般总是大于内存存储周期，即使高速I/O设备也是如此。

周期挪用

当I/O设备没有DMA请求时，CPU按程序要求访问内存；一旦I/O设备有DMA请求，则由I/O设备挪用一个或几个内存周期。

I/O设备要求DMA传送时可能遇到两种情况：

（1）此时CPU不需要访内，如CPU正在执行乘法指令。由于乘法指令执行时间较长，此时I/O访内与CPU访内没有冲突，即I/O设备挪用一二个内存周期对CPU执行程序没有任何影响。

（2）I/O设备要求访内时CPU也要求访内，这就产生了访内冲突，在这种情况下I/O设备访内优先，因为I/O访内有时间要求，前一个I/O数据必须在下一个访内请求到来之前存取完毕。显然，在这种情况下I/O设备挪用一二个内存周期，意味着CPU延缓了对指令的执行，或者更明确地说，在CPU执行访内指令的过程中插入DMA请求，挪用了一二个内存周期。

与停止CPU访内的DMA方法比较，周期挪用的方法既实现了I/O传送，又较好地发挥了内存和CPU的效率，是一种广泛采用的方法。但是I/O设备每一次周期挪用都有申请总线控制权、建立总线控制权和归还总线控制权的过程，所以传送一个字对内存来说要占用一个周期，但对DMA控制器来说一般要2—5个内存周期（视逻辑线路的延迟而定）。因此，周期挪用的方法适用于I/O设备读写周期大于内存存储周期的情况。

DMA与CPU交替访问

如果CPU的工作周期比内存存取周期长很多，此时采用交替访内的方法可以使DMA传送和CPU同时发挥最高的效率。假设CPU工作周期为 1.2μs，内存存取周期小于0.6μs，那么一个CPU周期可分为C1和C2两个分周期，其中C1供DMA控制器访内，C2专供CPU访内。

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分时进行的。CPU和DMA控制器各自有自己的访内地址寄存器、数据寄存器和读/写信号等控制寄存器。在C1周期中，如果DMA控制器有访内请求，可将地址、数据等信号送到总线上。在C2周期中，如CPU有访内请求，同样传送地址、数据等信号。事实上，对于总线，这是用C1，C2控制的一个多路转换器，这种总线控制权的转移几乎不需要什么时间，所以对DMA传送来讲效率是很高的。

这种传送方式又称为“透明的DMA”方式，其来由是这种DMA传送对CPU来说，如同透明的玻璃一般，没有任何感觉或影响。在透明的DMA方式下工作，CPU既不停止主程序的运行，也不进入等待状态，是一种高效率的工作方式。当然，相应的硬件逻辑也就更加复杂。

工作过程

预处理阶段

测试设备状态；向DMA控制器的设备地址寄存器中送入设备号，并启动设备；向主存地址计数器中送入欲交换数据的主存起始地址；向字计数器中送入欲交换的数据个数。

外部设备准备好发送的数据（输入）或上次接收的数据已处理完毕（输出）时，将通知DMA控制器发出DMA请求，申请主存总线。

数据传送

输入操作　

①.首先从外部设备读入一个字（设每字16位）到DMA数据缓冲寄存器IODR中（如果设备是面向字节的，一次读入一个字节，需要将两个字节装配成一个字）。

②.外部设备发选通脉冲，使DMA控制器中的DMA请求标志触发器置“1”。

③.DMA控制器向CPU发出总线请求信号（HOLD）。

④.CPU在完成了现行机器周期后，即响应DMA请求，发出总线允许信号（HLDA），并由DMA控制器发出DMA响应信号，使DMA请求标记触发器复位。此时，由DMA控制器接管系统总线。

⑤.将DMA控制器中主存地址寄存器中的主存地址送地址总线，