DMA控制簡(jiǎn)介

　　DMA（Direct Memory Access）控制器是一種在系統(tǒng)內(nèi)部轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)的獨(dú)特外設(shè)，可以將其視為一種能夠通過一組專用總線將內(nèi)部和外部存儲(chǔ)器與每個(gè)具有DMA能力的外設(shè)連接起來的控制器。它之所以屬于外設(shè)，是因?yàn)樗窃?a target="_blank">處理器的編程控制下來 執(zhí)行傳輸?shù)摹?/p>

　　DMA控制器結(jié)構(gòu)

　　一般而言，DMA控制器將包括一條地址總線、一條數(shù)據(jù)總線和控制寄存器。高效率的DMA控制器將具有訪問其所需要的任意資源的能力，而無須處理器本身的介入，它必須能產(chǎn)生中斷。最后，它必須能在控制器內(nèi)部計(jì)算出地址。

　　一個(gè)處理器可以包含多個(gè)DMA控制器。每個(gè)控制器有多個(gè)DMA通道，以及多條直接與存儲(chǔ)器站（memory bank）和外設(shè)連接的總線，如圖1所示。在很多高性能處理器中集成了兩種類型的DMA控制器。第一類通常稱為“系統(tǒng)DMA控制器”，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任何資源（外設(shè)和存儲(chǔ)器）的訪問，對(duì)于這種類型的控制器來說，信號(hào)周期數(shù)是以系統(tǒng)時(shí)鐘（SCLK）來計(jì)數(shù)的，以ADI的Blackfin處理器為 例，頻率最高可達(dá)133MHz。第二類稱為內(nèi)部存儲(chǔ)器DMA控制器（IMDMA），專門用于內(nèi)部存儲(chǔ)器所處位置之間的相互存取操作。因?yàn)榇嫒《及l(fā)生在內(nèi)部 （L1－L1、L1－L2，或者L2－L2），周期數(shù)的計(jì)數(shù)則以內(nèi)核時(shí)鐘（CCLK）為基準(zhǔn)來進(jìn)行，該時(shí)鐘的速度可以超過600MHz。

　　每個(gè)DMA控制器有一組FIFO，起到DMA子系統(tǒng)和外設(shè)或存儲(chǔ)器之間的緩沖器的作用。對(duì)于MemDMA（Memory DMA）來說，傳輸?shù)脑炊撕湍繕?biāo)端都有一組FIFO存在。當(dāng)資源緊張而不能完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑?，則FIFO可以提供數(shù)據(jù)的暫存區(qū)，從而提高性能。

　　因?yàn)槟阃ǔ?huì)在代碼初始化過程中對(duì)DMA控制器進(jìn)行配置，內(nèi)核就只需要在數(shù)據(jù)傳輸完成后對(duì)中斷做出響應(yīng)即可。你可以對(duì)DMA控制進(jìn)行編程，讓其與內(nèi)核并行地移動(dòng)數(shù)據(jù)，而同時(shí)讓內(nèi)核執(zhí)行其基本的處理任務(wù)—那些應(yīng)該讓它專注完成的工作。

　　DMA控制器基本組成

　　一個(gè)DMA控制器，實(shí)際上是采用DMA方式的外圍設(shè)備與系統(tǒng)總線之間的接口電路，這個(gè)接口電路是在中斷接口的基礎(chǔ)上再加DMA機(jī)構(gòu)組成。習(xí)慣上將DMA方式的接口電路稱為DMA控制器。

　?。?）內(nèi)存地址計(jì)數(shù)器：用于存放內(nèi)存中要交換的數(shù)據(jù)的地址。在 DMA傳送前，須通過程序?qū)?shù)據(jù)在內(nèi)存中的起始位置（首地址）送到內(nèi)存地址計(jì)數(shù)器。而當(dāng) DMA 傳送時(shí)，每交換一次數(shù)據(jù)，將地址計(jì)數(shù)器加“1”，從而以增量方式給出內(nèi)存中要交換的一批數(shù)據(jù)的地址。

　　（2）字計(jì)數(shù)器：用于記錄傳送數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度（多少字?jǐn)?shù)）。其內(nèi)容也是在數(shù)據(jù)傳送之前由程序預(yù)置，交換的字?jǐn)?shù)通常以補(bǔ)碼形式表示。在DMA傳送時(shí)，每傳送一個(gè)字，字計(jì)數(shù)器就加“1”。當(dāng)計(jì)數(shù)器溢出即最高位產(chǎn)生進(jìn)位時(shí)，表示這批數(shù)據(jù)傳送完畢，于是引起DMA控制器向CPU發(fā)出中斷信號(hào)。

　?。?）數(shù)據(jù)緩沖寄存器：用于暫存每次傳送的數(shù)據(jù)（一個(gè)字）。當(dāng)輸入時(shí)，由設(shè)備（如磁盤）送往數(shù)據(jù)緩沖寄存器，再由緩沖寄存器通過數(shù)據(jù)總線送到內(nèi)存。反之，輸出時(shí)，由內(nèi)存通過數(shù)據(jù)總線送到數(shù)據(jù)緩沖寄存器，然后再送到設(shè)備。

　　（4）DMA請(qǐng)求”標(biāo)志：每當(dāng)設(shè)備準(zhǔn)備好一個(gè)數(shù)據(jù)字后給出一個(gè)控制信號(hào)，使“DMA請(qǐng)求”標(biāo)志置“1”。該標(biāo)志置位后向“控制/狀態(tài)”邏輯發(fā)出DMA請(qǐng)求，后者又向CPU發(fā)出總線使用權(quán)的請(qǐng)求（HOLD），CPU響應(yīng)此請(qǐng)求后發(fā)回響應(yīng)信號(hào)HLDA，“控制/狀態(tài)”邏輯接收此信號(hào)后發(fā)出DMA響應(yīng)信號(hào)，使“DMA 請(qǐng)求”標(biāo)志復(fù)位，為交換下一個(gè)字做好準(zhǔn)備。

　?。?）控制/狀態(tài)”邏輯：由控制和時(shí)序電路以及狀態(tài)標(biāo)志等組成，用于修改內(nèi)存地址計(jì)數(shù)器和字計(jì)數(shù)器，指定傳送類型（輸入或輸出），并對(duì)“DMA請(qǐng)求”信號(hào)和CPU響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行協(xié)調(diào)和同步。

　?。?）中斷機(jī)構(gòu)：當(dāng)字計(jì)數(shù)器溢出時(shí)，意味著一組數(shù)據(jù)交換完畢，由溢出信號(hào)觸發(fā)中斷機(jī)構(gòu)，向CPU提出中斷報(bào)告。

　　DMA控制器設(shè)置

　　目前有兩類主要的DMA傳輸結(jié)構(gòu)：寄存器模式和描述符模式。無論屬于哪一類DMA，表1的幾種信息都會(huì)在DMA控制器中出現(xiàn)。當(dāng)DMA以寄存器模式工作時(shí)，DMA控制器只是簡(jiǎn)單地利用寄存器中所存儲(chǔ)的參數(shù)值。在描述符模式中，DMA控制器在存儲(chǔ)器中查找自己的配置參數(shù)。

　　（1）基于寄存器的DMA

　　在基于寄存器的DMA內(nèi)部，處理器直接對(duì)DMA控制寄存器進(jìn)行編程，來啟動(dòng)傳輸?；诩拇嫫鞯腄MA提供了最佳的DMA控制器性能，因?yàn)榧拇嫫鞑⒉恍枰粩嗟貜拇鎯?chǔ)器中的描述符上載入數(shù)據(jù)，而內(nèi)核也不需要保持描述符?；诩拇嫫鞯腄MA由兩種子模式組成：自動(dòng)緩沖（Autobuffer）模式和停止模式。在自動(dòng)緩沖DMA中，當(dāng)一個(gè)傳輸塊傳輸完畢，控制寄存器就自動(dòng)重新載入其最初的設(shè)定值，同一個(gè)DMA進(jìn)程重新啟動(dòng)，開銷為零。如果將一個(gè)自動(dòng)緩沖DMA設(shè)定為從外設(shè)傳輸一定數(shù)量的字到 L1數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的緩沖器上，則DMA控制器將會(huì)在最后一個(gè)字傳輸完成的時(shí)刻就迅速重新載入初始的參數(shù)。這構(gòu)成了一個(gè)“循環(huán)緩沖器”，因?yàn)楫?dāng)一個(gè)量值被寫入 到緩沖器的最后一個(gè)位置上時(shí)，下一個(gè)值將被寫入到緩沖器的第一個(gè)位置上。

　　自動(dòng)緩沖DMA特別適合于對(duì)性能敏感的、存在持續(xù)數(shù)據(jù)流的應(yīng)用。DMA控制器可以在獨(dú)立于處理器其他活動(dòng)的情況下讀入數(shù)據(jù)流，然后在每次傳輸結(jié)束時(shí)，向內(nèi)核發(fā)出中斷。

　　停止模式的工作方式與自動(dòng)緩沖DMA類似，區(qū)別在于各寄存器在DMA結(jié)束后不會(huì)重新載入，因 此整個(gè)DMA傳輸只發(fā)生一次。停止模式對(duì)于基于某種事件的一次性傳輸來說十分有用。例如，非定期地將數(shù)據(jù)塊從一個(gè)位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)位置。當(dāng)你需要對(duì)事件進(jìn) 行同步時(shí)，這種模式也非常有用。例如，如果一個(gè)任務(wù)必須在下一次傳輸前完成的話，則停止模式可以確保各事件發(fā)生的先后順序。此外，停止模式對(duì)于緩沖器的初 始化來說非常有用。

　?。?）描述符模型

　　基于描述符（descriptor）的DMA要求在存儲(chǔ)器中存入一組參數(shù)，以 啟動(dòng)DMA的系列操作。該描述符所包含的參數(shù)與那些通常通過編程寫入DMA控制寄存器組的所有參數(shù)相同。不過，描述符還可以容許多個(gè)DMA操作序列串在一 起。在基于描述符的DMA操作中，我們可以對(duì)一個(gè)DMA通道進(jìn)行編程，在當(dāng)前的操作序列完成后，自動(dòng)設(shè)置并啟動(dòng)另一次DMA傳輸。基于描述符的方式為管理 系統(tǒng)中的DMA傳輸提供了最大的靈活性。

　　DMA控制原理

　　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溝通，而不需要依于 CPU 的大量 中斷 負(fù)載。否則，CPU 需要從 來源 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)于其他的工作來說就無法使用。

　　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。

　　在實(shí)現(xiàn)DMA傳輸時(shí)，是由DMA控制器直接掌管總線，因此，存在著一個(gè)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。

　　DMA傳輸過程

　　1.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。

　　2.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。

　　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(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(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)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。

　　DMA控制器基本功能

　　DMA控制器是內(nèi)存儲(chǔ)器同外設(shè)之間進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳送時(shí)的硬件控制電路，是一種實(shí)現(xiàn)直接數(shù)據(jù)傳送的專用處理器，它必須能取代在程序控制傳送中由CPU和軟件所完成的各項(xiàng)功能；它的主要功能是：

　?。?）DMAC同外設(shè)之間有一對(duì)聯(lián)絡(luò)信號(hào)線——外設(shè)的DMA請(qǐng)求信號(hào)DREQ以及 DMAC向外設(shè)發(fā)出的DMA響應(yīng)信號(hào)DACK；

　?。?）DMAC在接收到DREQ后，同CPU之間也有一對(duì)聯(lián)絡(luò)信號(hào)線——DMAC向CPU 發(fā)出總線請(qǐng)求信號(hào)（HOLD或BUSRQ），CPU在當(dāng)前總線周期結(jié)束后向DMAC發(fā)出總線響應(yīng)信號(hào)（HLDA或BUSAK），DMAC接管對(duì)總線的控制權(quán)，進(jìn)入DMA操作方式；

　?。?）能發(fā)出地址信息，對(duì)存儲(chǔ)器尋址，并修改地址指針，DMAC內(nèi)部必須有能自動(dòng)加1或減1的地址寄存器；

　?。?）能決定傳送的字節(jié)數(shù)，并能判斷DMA傳送是否結(jié)束。DMA內(nèi)部必須有能自動(dòng)減1的字計(jì)數(shù)寄存器，計(jì)數(shù)結(jié)束產(chǎn)生終止計(jì)數(shù)信號(hào)；

　?。?）能發(fā)出DMA結(jié)束信號(hào)，釋放總線，使CPU恢復(fù)總線控制權(quán)；

　?。?）能發(fā)出讀、寫控制信號(hào)，包括存儲(chǔ)器訪問信號(hào)和I/O訪問信號(hào)。DMAC內(nèi)部必須有時(shí)序和讀寫控制邏輯。 有些DMAC芯片和模塊在這些基本功能的基礎(chǔ)上還增加了一些新的功能。如：在DMA傳送結(jié)束時(shí)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求信號(hào)；在傳送完一個(gè)字節(jié)數(shù)后輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，用于記錄已傳送的字節(jié)數(shù)、為外部提供周期性的脈沖序列；在一個(gè)數(shù)據(jù)塊傳送完后能自動(dòng)裝入新的起始地址和字節(jié)數(shù)，以便重復(fù)傳送一個(gè)數(shù)據(jù)塊或?qū)讉€(gè)數(shù)據(jù)塊鏈接起來傳送；產(chǎn)生兩個(gè)存儲(chǔ)器地址，從而實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)器之間的傳送以及能夠?qū)/O設(shè)備尋址，實(shí)現(xiàn)I/O設(shè)備與I/O設(shè)備之間的傳送以及能夠在傳送過程中檢索某一特定字節(jié)或者進(jìn)行數(shù)據(jù)檢驗(yàn)等等。

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