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DMA

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DMA（Direct Memory Access，直接內(nèi)存存取）是計(jì)算機(jī)科學(xué)中的一種內(nèi)存訪問(wèn)技術(shù)。它允許某些電腦內(nèi)部的硬件子系統(tǒng)（電腦外設(shè)），可以獨(dú)立地直接讀寫系統(tǒng)內(nèi)存，而不需繞道中央處理器（CPU）。在同等程度的處理器負(fù)擔(dān)下，DMA是一種快速的數(shù)據(jù)傳送方式。很多硬件的系統(tǒng)會(huì)使用DMA，包含硬盤控制器、繪圖顯卡、網(wǎng)絡(luò)卡和聲卡。

DMA原理[ ]

DMA(Direct Memory Access，直接內(nèi)存存取) 是所有現(xiàn)代電腦的重要特色，它允許不同速度的硬件裝置來(lái)溝通，而不需要依于CPU的大量中斷負(fù)載。否則，CPU 需要從來(lái)源把每一片段的資料復(fù)制到 暫存器，然后把它們?cè)俅螌懟氐叫碌牡胤健Ｔ谶@個(gè)時(shí)間中，CPU 對(duì)于其他的工作來(lái)說(shuō)就無(wú)法使用。DMA 傳輸將數(shù)據(jù)從一個(gè)地址空間復(fù)制到另外一個(gè)地址空間。當(dāng)CPU初始化這個(gè)傳輸動(dòng)作，傳輸動(dòng)作本身是由 DMA 控制器 來(lái)實(shí)行和完成。典型的例子就是移動(dòng)一個(gè)外部?jī)?nèi)存的區(qū)塊到芯片內(nèi)部更快的內(nèi)存區(qū)。像是這樣的操作并沒有讓處理器工作拖延，反而可以被重新排程去處理其他的工作。DMA 傳輸對(duì)于高效能 嵌入式系統(tǒng) 算法和網(wǎng)絡(luò)是很重要的。

DMA工作步驟[ ]

  • DMA請(qǐng)求

CPU對(duì)DMA控制器初始化，并向I/O接口發(fā)出操作命令，I/O接口提出DMA請(qǐng)求。

  • DMA響應(yīng)

DMA控制器對(duì)DMA請(qǐng)求判別優(yōu)先級(jí)及屏蔽，向總線裁決邏輯提出總線請(qǐng)求。當(dāng)CPU執(zhí)行完當(dāng)前總線周期即可釋放總線控制權(quán)。此時(shí)，總線裁決邏輯輸出總線應(yīng)答，表示DMA已經(jīng)響應(yīng)，通過(guò)DMA控制器通知I/O接口開始DMA傳輸。

  • DMA傳輸

DMA控制器獲得總線控制權(quán)后，CPU即刻掛起或只執(zhí)行內(nèi)部操作，由DMA控制器輸出讀寫命令，直接控制RAM與I/O接口進(jìn)行DMA傳輸。在DMA控制器的控制下，在存儲(chǔ)器和外部設(shè)備之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，在傳送過(guò)程中不需要中央處理器的參與。開始時(shí)需提供要傳送的數(shù)據(jù)的起始位置和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

  • DMA結(jié)束

當(dāng)完成規(guī)定的成批數(shù)據(jù)傳送后，DMA控制器即釋放總線控制權(quán)，并向I/O接口發(fā)出結(jié)束信號(hào)。當(dāng)I/O接口收到結(jié)束信號(hào)后，一方面停止I/O設(shè)備的工作，另一方面向CPU提出中斷請(qǐng)求，使CPU從不介入的狀態(tài)解脫，并執(zhí)行一段檢查本次DMA傳輸操作正確性的代碼。最后，帶著本次操作結(jié)果及狀態(tài)繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)的程序。由此可見，DMA傳輸方式無(wú)需CPU直接控制傳輸，也沒有中斷處理方式那樣保留現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)的過(guò)程，通過(guò)硬件為RAM與I/O設(shè)備開辟一條直接傳送數(shù)據(jù)的通路，使CPU的效率大為提高。

DMA傳送方式[ ]

DMA技術(shù)的出現(xiàn)，使得外圍設(shè)備可以通過(guò)DMA控制器直接訪問(wèn)內(nèi)存，與此同時(shí)，CPU可以繼續(xù)執(zhí)行程序．那么DMA控制器與CPU怎樣分時(shí)使用內(nèi)存呢?通常采用以下三種方法：(1)停止CPU訪內(nèi)；(2)周期挪用；(3)DMA與CPU交替訪內(nèi)存． 　　

  • 停止CPU訪問(wèn)內(nèi)存

當(dāng)外圍設(shè)備要求傳送一批數(shù)據(jù)時(shí)，由DMA控制器發(fā)一個(gè)停止信號(hào)給CPU，要求CPU放棄對(duì)地址總線、數(shù)據(jù)總線和有關(guān)控制總線的使用權(quán)．DMA控制器獲得總線控制權(quán)以后，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送．在一批數(shù)據(jù)傳送完畢后，DMA控制器通知CPU可以使用內(nèi)存，并把總線控制權(quán)交還給CPU．圖(a)是這種傳送方式的時(shí)間圖．很顯然，在這種DMA傳送過(guò)程中，CPU基本處于不工作狀態(tài)或者說(shuō)保持狀態(tài)。優(yōu)點(diǎn): 控制簡(jiǎn)單，它適用于數(shù)據(jù)傳輸率很高的設(shè)備進(jìn)行成組傳送。缺點(diǎn): 在DMA控制器訪內(nèi)階段，內(nèi)存的效能沒有充分發(fā)揮，相當(dāng)一部分內(nèi)存工作周期是空閑的。這是因?yàn)?，外圍設(shè)備傳送兩個(gè)數(shù)據(jù)之間的間隔一般總是大于內(nèi)存存儲(chǔ)周期，即使高速I/O設(shè)備也是如此。例如，軟盤讀出一個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)大約需要32us，而半導(dǎo)體內(nèi)存的存儲(chǔ)周期小于0.5us，因此許多空閑的存儲(chǔ)周期不能被CPU利用． 　　

  • 周期挪用 　　

當(dāng)I/O設(shè)備沒有DMA請(qǐng)求時(shí)，CPU按程序要求訪問(wèn)內(nèi)存；一旦I/O設(shè)備有DMA請(qǐng)求，則由I/O設(shè)備挪用一個(gè)或幾個(gè)內(nèi)存周期。I/O設(shè)備要求DMA傳送時(shí)可能遇到兩種情況：

  1. 此時(shí)CPU不需要訪內(nèi)，如CPU正在執(zhí)行乘法指令。由于乘法指令執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng)，此時(shí)I/O訪內(nèi)與CPU訪內(nèi)沒有沖突，即I/O設(shè)備挪用一二個(gè)內(nèi)存周期對(duì)CPU執(zhí)行程序沒有任何影響。
  2. I/O設(shè)備要求訪內(nèi)時(shí)CPU也要求訪內(nèi)，這就產(chǎn)生了訪內(nèi)沖突，在這種情況下I/O設(shè)備訪內(nèi)優(yōu)先，因?yàn)镮/O訪內(nèi)有時(shí)間要求，前一個(gè)I/O數(shù)據(jù)必須在下一個(gè)訪內(nèi)請(qǐng)求到來(lái)之前存取完畢。顯然，在這種情況下I/O 設(shè)備挪用一二個(gè)內(nèi)存周期，意味著CPU延緩了對(duì)指令的執(zhí)行，或者更明確地說(shuō)，在CPU執(zhí)行訪內(nèi)指令的過(guò)程中插入DMA請(qǐng)求，挪用了一二個(gè)內(nèi)存周期。 與停止CPU訪內(nèi)的DMA方法比較，周期挪用的方法既實(shí)現(xiàn)了I/O傳送，又較好地發(fā)揮了內(nèi)存和CPU的效率，是一種廣泛采用的方法。但是I/O設(shè)備每一次周期挪用都有申請(qǐng)總線控制權(quán)、建立線控制權(quán)和歸還總線控制權(quán)的過(guò)程，所以傳送一個(gè)字對(duì)內(nèi)存來(lái)說(shuō)要占用一個(gè)周期，但對(duì)DMA控制器來(lái)說(shuō)一般要2—5個(gè)內(nèi)存周期(視邏輯線路的延遲而定)。因此，周期挪用的方法適用于I/O設(shè)備讀寫周期大于內(nèi)存存儲(chǔ)周期的情況。 　　
  • DMA與CPU交替訪內(nèi)

如果CPU的工作周期比內(nèi)存存取周期長(zhǎng)很多，此時(shí)采用交替訪內(nèi)的方法可以使DMA傳送和CPU同時(shí)發(fā)揮最高的效率。假設(shè)CPU工作周期為 1.2μs，內(nèi)存存取周期小于0.6μs，那么一個(gè)CPU周期可分為C1和C2兩個(gè)分周期，其中C1供DMA控制器訪內(nèi)，C2專供CPU訪內(nèi)。

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