DMA传送
一、控制方式
主机与外设之间数据传送的控制方式有以下四种：
• 无条件传送
• 查询式传送
• 中断方式传送
• 直接存储器存取(DMA, Direct Memory Access)
（一）、无条件传送方式
适用于总是处于准备好状态的外设
• 直接对IO口寄存器进行读写（如GPIO读写）
• 以下外设可采用无条件传送方式：
• 开关
• 发光器件(如发光二极管、7段数码管、灯泡等)
• 继电器
• 步进电机
• 优点：软件及接口硬件简单
• 缺点：只适用于简单外设，适应范围较窄
（二）、查询方式传送
• 适用于外设并不总是准备好，而且对传送速率、传送效率要求不高的场合。
• CPU在与外设交换数据前必须询问外设状态——“你准备好没有？”
• 对外设的要求：应提供设备状态信息
• 对接口的要求：需要提供状态端口
• 优点：软件比较简单
• 缺点：CPU效率低，数据传送的实时性差，速度较慢
（三）、中断方式传送
CPU无需循环查询外设状态，而是外部设备在需要进行数据传送时才中断CPU正在进行的工作，让CPU来为其服务。即CPU在没有外设请求时可以去做更重要的事情，有请求时才去传输数据，从而大大提高了CPU的利用率。
• 优点：CPU效率高，实时性好，速度快。
• 缺点：程序编制较为复杂，如果需要进行大量数据传输，频繁响应中断，由于每次都需要保存现场，导致CPU执行效率底下。
二、传输原理
- DMA设置 ⑦
CPU通过写入控制器的
相应寄存器设置源、目
标地址及传输数等信息。 - DMA传输
① 外设发出DMA请求
② DMAC向CPU申请总线
③ CPU完成当前总线周期后响应，并释放总线控制权
④ DMAC得到总线控制权，并发出DMA响应信号
⑤ 由DMAC发出各种控制信号，控制外设与存储器之间的数据传送
⑥ 数据传送完后，DMAC撤销HOLD信号
⑦ CPU释放HLDA信号，并重新控制总线
三、DMA控制器
使用DMA方式传输时，需要一个专门的器件来协调外设接口和内存储器的数据传输，该器件称为DMA控制器。一个DMAC可以有多个通道连接到不同外设。
DMAC内部的主要寄存器：
• 地址寄存器：存放DMA传输时存储单元地址和外设数据寄存器地址；
• 字节计数器：存放DMA传输的字节数；
• 控制寄存器：存放由CPU设定的DMA传输方式，控制命令等；
• 状态寄存器：存放DMAC当前的状态，包括有无DMA请求，是否结束等。
• DMAC在系统中的二种不同角色：
• 总线从模块：
CPU对DMAC进行预置操作，也就是向DMAC写入内存传送区的首地址、传送字节数和控制字时，DMAC相当于一个外设接口，称为总线从模块。
• 总线主模块：
进行DMA传输时，CPU暂停对系统总线的控制，DMAC取得了对总线的控制权，这时的DMAC称为总线主模块。
DMA控制器的工作过程
① 当外设准备好，可以进行DMA传送时，外设向DMA控制器发出“DMA传送请求”信号（DRQ）；
② DMA控制器收到请求后，向CPU发出“总线请求”信号HOLD，表示希望占用线；
③ CPU在完成当前总线周期后会立即对HOLD信号进行响应。响应包括两个动作：一是CPU将数据总线、地址总线和相应的控制信号线均置为高阻态，由此放弃对总线的控制权。另一方面，CPU向DMA控制器发出“总线响应”信号（HLDA）。
④ DMA控制器收到HLDA信号后，就开始控制总线，并向外设发出DMA响应信号DACK；
⑤ DMA控制器送出地址信号和相应的控制信号，实现外设与内存或内存与内存之间的直接数据传送；例如，向I/O接口发出读信号，同时往地址总线上发出存储器的地址和存储器写信号和AEN信号，即可从外设向内存传送一个字节。
⑥ DMA控制器自动修改地址和字节计数器，并判断是否需要重复传送操作。
⑦ 结束：当规定的数据传送完后，DMA控制器就撤销发往CPU的HOLD信号。CPU检测到HOLD失效后，紧接着撤销HLDA信号，并在下一时钟周期重新开始控制总线。
四、传输方式
• DMA的三种传输方式:
• 连续传送（块传送）
• DMAC申请到总线后，将一块数据传送完后才释放总线，而不管中间DREQ是否有效。
• 单次传送（每次传送一个字节）
• 每个DMA周期只传送一个字节就立即释放总线。
• 按需传送（猝发传送）
• 只要I/O接口的数据缓冲可用(非空或未满)，就进行传送。
(注：I/O接口需要有一定大小的FIFO缓冲)
五、DMA与主存交换数据的方法
• 当CPU需要访问DMA的外设时：当前外设访问不可，其他外设访问可能（如通过总线矩阵）
• 当CPU与DMA同时访问内存时有3种处理方式：
1、停止CPU访问主存
2、周期挪用（周期窃取，DMA窃取CPU总线周期）
3、DMA与CPU交替访问
1、停止CPU访问主存
• 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。
2、周期挪用（周期窃取）
• 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设备请求DMA传送有三种情况：
- CPU此时不需要访问主存（I/O设备与CPU无冲突）
- CPU此时正在访问主存（必须等待存取周期结束，CPU才能将总线控制权让出）
- I/O设备与CPU都要求访问主存（在CPU执行访问主存指令的过程中插入DMA请求，并挪用了一二个内存周期）
• 优点：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。
• 缺点：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。
3、DMA与CPU交替访问
• DMA与CPU相互配合，交替执行，时分复用。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。
• 优点：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DMA访存
和CPU访存分时进行的。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
• 缺点：相应的硬件逻辑更加复杂。