dma技術(shù)的工作原理分析-設(shè)計應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯dma技術(shù)的工作原理分析-設(shè)計應(yīng)用DMA技術(shù)是DirectMemoryAccess的縮寫。其意思是“存儲器直接訪問”。它是指一種高速的數(shù)據(jù)傳輸操作，允許在外部設(shè)備和存儲器之間直接讀寫數(shù)據(jù)，既不通過CPU，也不需要CPU干預(yù)。

DMA是指外部設(shè)備不通過CPU而直接與系統(tǒng)內(nèi)存交換數(shù)據(jù)的接口技術(shù)。要把外設(shè)的數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存或把內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳送到外設(shè)，一般都要通過CPU控制完成，如CPU程序查詢或中斷方式。利用中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，可以大大提高CPU的利用率。但是采用中斷傳送有它的缺點，對于一個高速I/O設(shè)備，以及批量交換數(shù)據(jù)的情況，只能采用DMA方式，才能解決效率和速度問題。DMA在外設(shè)與內(nèi)存間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而不通過CPU，這樣數(shù)據(jù)傳送的速度就取決于存儲器和外設(shè)的工作速度。

整個數(shù)據(jù)傳輸操作在一個稱為“DMA控制器”的控制下進(jìn)行的。CPU除了在數(shù)據(jù)傳輸開始和結(jié)束時作一點處理外，在傳輸過程中CPU可以進(jìn)行其它的工作。這樣，在大部分時間里，CPU和輸入輸出都處在并行操作。因此，使整個計算機系統(tǒng)的效率大大提高。

DMA原理

DMA原理：DMA（DirectMemoryAccess，直接內(nèi)存存?。┦撬鞋F(xiàn)代電腦的重要特色，它允許不同速度的硬件裝置來溝通，而不需要依于CPU的大量中斷負(fù)載。否則，CPU需要從把每一片段的資料復(fù)制到暫存器，然后把他們再次寫回到新的地方。在這個時間中，CPU對于其他的工作來說就無法使用。DMA傳輸將數(shù)據(jù)從一個地址空間復(fù)制到另外一個地址空間。當(dāng)CPU初始化這個傳輸動作，傳輸動作本身是由DMA控制器來實行和完成。典型的例子就是移動一個外部內(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傳輸對于高效能嵌入式系統(tǒng)算法和網(wǎng)絡(luò)是很重要的。

在實現(xiàn)DMA傳輸時，是由DMA控制器直接掌管總線，因此，存在著一個總線控制權(quán)轉(zhuǎn)移問題。即DMA傳輸前，CPU要把總線控制權(quán)交給DMA控制器，而在結(jié)束DMA傳輸后，DMA控制器應(yīng)立即把總線控制權(quán)再交回給CPU。一個完整的DMA傳輸過程必須經(jīng)過下面的4個步驟。

一、DMA傳輸過程

1.DMA請求

CPU對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請求。2.DMA響應(yīng)

DMA控制器對DMA請求判別優(yōu)先級及屏蔽，向總線裁決邏輯提出總線請求。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，總線裁決邏輯輸出總線應(yīng)答，表示DMA已經(jīng)響應(yīng)，通過DMA控制器通知I/O接口開始DMA傳輸。

3.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，在存儲器和外部設(shè)備之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，在傳送過程中不需要中央處理器的參與。開始時需提供要傳送的數(shù)據(jù)的起始位置和數(shù)據(jù)長度。

4.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。當(dāng)I/O接口收到結(jié)束信號后，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。，帶著本次操作結(jié)果及狀態(tài)繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。

由此可見，DMA傳輸方式無需CPU直接控制傳輸，也沒有中斷處理方式那樣保留現(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場的過程，通過硬件為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。

二、DMA傳送方式DMA技術(shù)的出現(xiàn)，

使得外圍設(shè)備可以通過DMA控制器直接訪問內(nèi)存，與此同時，CPU可以繼續(xù)執(zhí)行程序．那么DMA控制器與CPU怎樣分時使用內(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．

1.停止CPU訪問內(nèi)存

當(dāng)外圍設(shè)備要求傳送一批數(shù)據(jù)時，由DMA控制器發(fā)一個停止信號給CPU，要求CPU放棄對地址總線、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8．16（a）是這種傳送方式的時間圖．很顯然，在這種DMA傳送過程中，CPU基本處于不工作狀態(tài)或者說保持狀態(tài)。

優(yōu)點：控制簡單，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：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。這是因為，外圍設(shè)備傳送兩個數(shù)據(jù)之間的間隔一般總是大于內(nèi)存存儲周期，即使高速I/O設(shè)備也是如此。例如，軟盤讀出一個8位二進(jìn)制數(shù)大約需要32us，而半導(dǎo)體內(nèi)存的存儲周期小于0.5us，因此許多空閑的存儲周期不能被CPU利用．

2.周期挪用：當(dāng)I/O設(shè)備沒有DMA請求時，CPU按程序要求訪問內(nèi)存；一旦I/O設(shè)備有DMA請求，則由I/O設(shè)備挪用一個或幾個內(nèi)存周期。

這種傳送方式的時間圖如下：

I/O設(shè)備要求DMA傳送時可能遇到兩種情況：

（1）此時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)行時間較長，此時I/O訪內(nèi)與CPU訪內(nèi)沒有沖突，即I/O設(shè)備挪用一二個內(nèi)存周期對CPU執(zhí)行程序沒有任何影響。

（2）I/O設(shè)備要求訪內(nèi)時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，因為I/O訪內(nèi)有時間要求，前一個I/O數(shù)據(jù)必須在下一個訪內(nèi)請求到來之前存取完畢。顯然，在這種情況下I/O設(shè)備挪用一二個內(nèi)存周期，意味著CPU延緩了對指令的執(zhí)行，或者更明確地說，在CPU執(zhí)行訪內(nèi)指令的過程中插入DMA請求，挪用了一二個內(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)備每周期挪用都有申請總線控制權(quán)、建立線控制權(quán)和歸還總線控制權(quán)的過程，所以傳送一個字對內(nèi)存來說要占用一個周期，但對DMA控制器來說一般要2—5個內(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)存存儲周期的情況。

3.DMA與CPU交替訪內(nèi)如果CPU的工作周期比內(nèi)存存取周期長很多，此時采用交替訪內(nèi)的方法可以使DMA傳送和CPU同時發(fā)揮的效率。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CPU周期可分為C1和C2兩個分周期，其中C1供DMA控制器訪內(nèi)，C2專供CPU訪內(nèi)。

這種傳送方式的時間圖如下：

下頁圖是DMA與CPU交替訪內(nèi)的詳細(xì)時間圖．假設(shè)CPU工作周期為1.2us，內(nèi)存存取周期小于0.6us，那么一個CPU周期可分為C1和C2兩個分周期，其中C1專供DMA控制器訪內(nèi)，C2專供CPU訪內(nèi)．

這種方式不需要總線使用權(quán)的申請、建立和歸還過程，總線使用權(quán)是通過C1和C2分時制的。CPU和DMA控制器各自有自己的訪內(nèi)地址寄存器、數(shù)據(jù)寄存器和讀/寫信號等控制寄存器。在C1周期中，如果DMA控制器有訪內(nèi)請求，可將地址、數(shù)據(jù)等信號送到總線上。在C2周期中，如CPU有訪內(nèi)請求，同樣傳送地址、數(shù)據(jù)等信號。事實上，對于總線，這是用C1，C2控制的一個多路轉(zhuǎn)換器，這種總線控制