【DMA】认识DMA及其工作流程（与传统CPU存取方式的区别）
【DMA】认识DMA及其工作流程（与传统CPU存取方式的区别）
DMA（Direct Memory Access）是一种直接存储器访问技术，它允许外设在不需要CPU干预的情况下直接读写内存。这种技术可以显著提高数据传输效率，减轻CPU的负担。本文将详细介绍DMA的工作原理及其与传统CPU存取方式的区别。
一、传统CPU存取数据
在传统的数据存取方式中，CPU需要通过以下步骤来获取数据：
- CPU将外设数据加载到内存
- CPU检查cache是否命中
- 如果命中，直接返回数据；如果未命中，从内存获取数据
- 返回数据
这种传统的数据存取方式存在以下问题：
- CPU的工作速度和外设的工作速度差距太大
- 外设格式种类繁多，无法直接存取，需要经过转换
因此，CPU不能直接从外设获取或者向外设写入内容。
二、认识DMA
为了提高数据传输效率，减轻CPU的负担，DMA技术应运而生。DMA通过内部控制器实现内存和外设之间的数据传输，使得CPU可以专注于处理其他事务。
1. 什么是DMA
DMA（Direct Memory Access）即直接存储器访问，借助内部的控制器来实现内存和外设之间的数据传输。有了DMA，CPU可以专注于内存数据的存取；数据的搬运过程完全可以交由DMA硬件完成。有了DMA以后，不代表完全不需要CPU了，只是不会像中断那样频繁向CPU发送请求。
- 开始传输时刻：DMA向CPU申请至少一个总线周期的占用时间来做数据传输工作
- 结束传输时刻：DMA向CPU发送中断请求，请求CPU处理这些数据
2. DMA的工作模式、数据传输方式、寻址模式
工作模式
- 直接模式：DMA直接进行从源地址到目的地址的数据传输。
- FIFO模式：FIFO模式下，可以将要传输的多个数据（或字节）累计存储在FIFO缓冲器中，然后在FIFO缓冲器中设置存储阈值，当到达阈值时，FIFO会自动把所有存储的数据一次性的发送到目标地址。
数据传输方式
- 单字传送（单次模式）：DMA请求获得批准后，CPU让出一个总线周期用于字或字节的传送。结束后，DMA控制器归还总线控制权，CPU再重新判断下一个总线周期的总线控制权是CPU保留，还是继续响应一次新的DMA请求。这种方式称为单字传送方式，又称为周期挪用或周期窃取。
- 块传送（突发模式）：DMA请求获得批准后，DMA控制器掌管总线控制权，连续占用若干个总线周期，进行成组连续的批量传送，直到批量传送结束，才将总线的控制权交还给CPU。这种方式称为成组连续传送方式。
寻址模式
- 增量寻址：发送完数据后，继续发送下一个地址的数据，配合突发传输模式
- 非增量寻址：发送完数据后，如果想要继续发送数据，需要根据软件配置的发送下一个数据的地址，再进行数据的传输
3. 为什么要使用DMA
使用DMA有以下优势：
- 可以把比较固定的任务让DMA来做，可以减轻CPU负担，提高系统的效率
- DMA具有一般CPU没有的高效操作，能够提高系统的吞吐率（IO效率）
三、DMA数据传输
1. 准备阶段
CPU会对DMA控制器和IO接口进行初始化，初始化的内容如下：
DMA控制器初始化
配置DMA内存缓冲区的首地址（即告诉DMA把数据放到哪）
配置DMA传输方向（是向外设传数据，还是从外设读数据）
配置DMA交换量（设置数据传输的上限）
接口的初始化
I/O设备的寻址信息
2. 传输请求
- 设备接口 => DMA控制器：设备接口向DMA控制器发送“DMA请求”，即请求使用DMA进行数据传输
- DMA控制器 => CPU：DMA控制器向CPU申请“总线占用”，DMA控制器和CPU只能有一个占用总线
- CPU => DMA控制器：CPU批准使用总线，此时CPU会让出一个或者多个总线周期用于数据传输。在DMA数据传输期间，CPU停止访问内存，无法执行需要占用总线的指令。
- DMA控制器 => 设备接口：DMA批准设备请求，此时DMA控制器将掌握总线控制权。如果是单字节传送，一个总线周期后，DMA归还总线控制权；如果是块传送，连续占用若干个总线周期后，DMA才会归还总线控制权。
3. 数据传送
数据传送期间，DMA控制器会向总线发送读/写命令、向I/O接口发响应信号。真正的数据交互是内存和设备接口，DMA控制器只是负责控制整个数据传送流程。
4. 善后处理
在初始化时，CPU便指定了DMA的交换量，而且DMA控制器内部有一个计数器，只有DMA控制器知道传送是否结束。当传送结束时，DMA控制器向CPU发送一个传输完成的中断，CPU重新接管总线的控制权。
注意：DMA控制器并非只有在传输完成时才会发送中断，其实传输过半、传输错误也可以发送中断