故事导入

CPU是一家企业的老板，平时不仅要干自己分内的活（比如做做数学题），还要打点公司大大小小的事情。但是悲催的是，为了省钱，他并没有雇一个帮忙跑腿的助理，只有一辆用来送资料的小推车（总线）。(啥？为啥要有小推车？这年头，资料都是一堆一堆的，自己扛根本扛不动)

如果一些**小客户（低优先级外设）一个电话打过来说要点什么资料，他就会让他们等一等，等自己忙完手上的东西就去送；但是如果是大客户（高优先级外设）**可不能得罪啊，CPU就得赶紧放下手中活，亲自推着小推车去送资料。

长此以往，CPU顶不住了，心想：我干嘛为了省这点钱，白白干那么多体力活啊？这工作效率也太低了，而且我整天去给别人送资料，不知道的还以为我就是一个文员呢。不行，我得雇一个跑腿的。

于是，CPU雇了一个叫DMA的跑腿小哥，还把自己的办公室腾出来一小块地方供DMA使用。以后如果有客户打电话来要资料，他就会把客户的信息、要什么资料，从哪里拿，拿到哪里去都告诉跑腿小哥让他去送。小哥一看这资料这么多，搬过去岂不是累死？这时，他想起办公室有一辆小推车，于是就去和CPU申请使用权限。等申请下来后，DMA去跑腿，而CPU就把这省下来的时间用来干其他更重要的事情，比如做数学题哈哈。

自从DMA开始接手跑腿工作后，CPU轻松多了，公司的经营状况也越来越好了。CPU心想，我早干嘛去了……

背景

在没有DMA技术出现以前，外部设备（比如打印机）想要想要从存储器中读取信息需要经过下图的步骤：

1、没有外设请求时，CPU执行主程序。
2、打印机 (外设) 要接收数据时，都得先向CPU发送中断请求。待CPU响应中断后，就会从存储器中将数据传输到打印机。而这段时间里，可以看到CPU需要停止执行主程序来传输数据，大量占用了CPU花在执行主程序（比如高性能计算等）上的时间。
3、所以，如果有很多的外设一直跟请求接收数据，结果就是，低优先级的外设等很久都没有响应，而高优先级的外设如果一直请求，那么CPU就需要经常停下手中的活来传输数据，会导致效率低下。

因此我们就需要给CPU请一个跑腿，让他来帮忙搬运数据，从而解放CPU。CPU需要做的就是给这个跑腿交代一些信息（从哪里拿，拿多少，搬去哪里等），并且赋予他实权去占用总线进行跑腿工作，传输数据，最后再收尾一下就好了（看还需不需要继续跑腿，需要的话就告诉他相关信息）。

而这个跑腿就是接下来要登场的DMA小哥。

概念及作用

DMA, Direct Memory Access，叫直接存储器访问。这里的这个“直接”指的是可以不用CPU的干预，直接访问存储器的意思。具体就是用来提供在外设和存储器之间、存储器与存储器之间或者外设和外设之间的高速数据传输，从而减轻CPU的负担。

注意，前面提到的中断响应方式是通过软件进行的，而DMA则是一个硬件，是一块独立的芯片，叫协处理器DMAC。他主要就是用于数据传输控制的。

双面性

对于CPU来说，DMA就是个普通的外设，是个slave，只是负责跑腿而已；
但是这个外设背靠着CPU这个大老板，还是有那么权力的。所以对于普通的外设而言，DMA就是master的角色。

分类

DMA可以分为自带DMA和公用DMA。对于一些比较大的IP，会自带DMA功能；而向SPI、UART等小IP，基本使用公用的DMA。

DMA传输过程

一个完整的DMA传输过程必须经过DMA请求、DMA响应、DMA传输、DMA结束4个步骤。

请求

外设发起请求，告诉CPU说要进行数据传输（此时DMA是不知道的）。CPU需要对DMA进行配置，也就是告诉DMA是读还是写、从哪里，拿多少数据，传到哪儿去。CPU完成对DMA的配置后，就继续执行原来的程序去了。
具体的预置信息如下：

• 给DMA控制逻辑指明数据传输的方向是输入（写主存）还是输出（读主存）
• 给DMA设备地址寄存器送入设备号，并启动设备。
• 向DMA主存地址寄存器送入交换数据的主存起始地址。
• 对字计数器赋予交换数据的个数

当外设准备好发送的数据（输入）或者上次接收的数据已经处理完毕（输出）时，它便向DMA接口发送请求，让DMA去向CPU提出占用总线的申请。

若有多个DMA同时申请，则按照优先级排序。

响应

DMA控制器收到请求后，向CPU发起总线控制权的请求，等待CPU的响应。当CPU响应之后，便把总线（包括地址、数据和控制）的控制权交给DMA。

传输

以数据从存储器传输到外设为例。接管总线控制权后，DMA通过总线从存储器中取数据，然后发送给外部设备。至于这个数据是先在DMA里缓存一下再发送给外设还是直接发送给外设，就得具体看DMA工作模式了。

结束

结束传输后，DMA向CPU发起中断请求，将总线控制权还给CPU。CPU响应DMA的请求时，会停止原程序的执行，做一些DMA的后处理。包括：

• 校验送入主存的数据是否正确
• 决定是否继续用DMA传送其他数据块。如是，就对DMA接口进行初始化。否则就停止外设
• 测试在传送过程中是否发生错误，若是，则转错误诊断及处理错误程序。

DMA工作模式

FIFO模式

FIFO模式下，可以将要传输的多个数据存储在FIFO缓冲器中，当达到了阈值后，就自动把存储的数据一次性发到目标地址。

直接模式

一般外设内部也有FIFO，所以DMA也可以直接将数据从源地址传输到目标地址。

CPU vs DMA

我们前面说到，DMA就是给CPU当跑腿的。而他们又只有一个小推车（总线）。那么如果有一天DMA和CPU同时都要用到这个小推车，那么谁可以先用咧？其实反而是DMA的优先级高一些。因为他跑腿的都是一些比较着急的单（高速外设），所以反而会把小推车先让给他用。

具体可以细分为以下三种情况：

1、停止CPU访问主存

当客户（外设）要求传送一批数据时，DMA跑腿小哥会向CPU发送停止信号，要求CPU把小推车（总线）交出来。之后DMA小哥用小推车运送数据。结束后，就把小推车还给CPU（交还总线控制权）。

优点：控制简单
缺点：DMA在访问主存时，CPU基本上不工作或者保持原状态，未充分发挥CPU对主存的利用率

2、DMA与CPU交替访存

CPU可以把自己的工作情况分为两种，一种是需要亲自用小推车去送资料的业务，另一种是其他业务。在CPU进行其他业务时，就可以把小推车交给DMA，让DMA去搬运资料。

这种方法适用于CPU的工作周期比主存存取周期长的情况。例如，CPU的工作周期为1.2us，主存的存取周期小于0.6us，那么可以将一个CPU周期分为C1和C2两个分周期，其中C1专供DMA访存，C2专供CPU访存。

优点：不需要总线使用权的申请、建立和归还过程。CPU既不需要停止主程序的运行也不进入等待状态，即完成了DMA的数据传送。
缺点：硬件逻辑更为复杂，也就是把CPU访存和不访存的硬件部分分开；而且CPU和DMA访存可能并不均匀，所以在分配主存利用的时候可能效率也不是那么高。

3、（存取）周期挪用（窃取）

外设请求DMA传送会有三种情况：
1、此时CPU不需要访问主存（比如CPU在做乘法，时间比较长，不用访存），此时不冲突
2、此时如果CPU正在访存，就必须等存取周期结束后，CPU才能让出总线占有权。就是说，得等CPU用完小推车把数据送完了，才能够腾出小推车来。
3、如果DMA和CPU同时要求访问主存，就产生了冲突。此时DMA的优先级比较高，先占用总线。因为DMA服务的外设多为高速外设，如果DMA需要访存了，说明数据缓冲寄存器被写满了，如果不及时访存，高速外设传输来的数据就会对先前的数据产生覆盖。
这时，DMA要窃取一两个存取周期，也就是CPU在执行访问主存指令过程中插入了DMA请求，并挪用了一两个存取周期，使CPU延缓了一两个存取周期再访问主存。

就是说，DMA和CPU同时要用小推车时，因为DMA服务的客户比较急，所以一般情况下都先让DMA用，用完了再给CPU。

第三种方式既实现了与外设的数据传送，又较好地发挥了主存与CPU的效率，是一种广泛采用的方法。

Q&A

1、DMA不是一样会占用总线吗？总线被占用了那CPU不也没法干活吗？怎么就说可以并行节约时间了？

其实，这里提到的节约时间，指的是把下方标出的红框里的时间。没有DMA时，传输数据的阶段CPU就没法去干其他更重要的事情，比如高性能计算等。而有了DMA后，CPU就只需要进行DMA初始化以及完成时的后处理即可。在总线被DMA占用做数据传输的阶段，CPU就可以进行一些内部的高性能计算（比如乘法等，不需要总线），所以说可以并行运行，节约时间。

2、外设是要跟谁提请求？是直接告诉CPU传输的信息（地址、方向等），CPU再告诉DMA让他去搬运数据？还是说要先通过DMA去告诉CPU？

唐朔飞的《计算机组成原理》第3版的205页提到

在DMA接口开始工作之前，CPU必须给它预置如下信息。

• 给DMA控制逻辑指明数据传输的方向是输入（写主存）还是输出（读主存）
• 给DMA设备地址寄存器送入设备号，并启动设备。
• 向DMA主存地址寄存器送入交换数据的主存起始地址。
• 对字计数器赋予交换数据的个数

所以其实都要。外设一共会发送两次请求。

• 第一次是向CPU请求，让CPU先去初始化DMA；
• 第二次是向DMA提请求，让DMA去向CPU提出占用总线的申请。当外设准备好发送的数据（输入）或者上次接收的数据已经处理完毕（输出）时，它便向DMA接口发送请求，让DMA去向CPU申请总线占用，并传输数据。

DMA设计详解

下面用一个实际的例子来介绍DMA。

DMA系统架构

介绍

• 左边部分是master，包括Cortex-M3核，以太网、USB HS和两个 DMA控制器；其中DMA controller 2有两个master端口都连到了bus matrix上，而其中一个端口也可以绕过bus matrix直接连接到AHB-APB桥2上（红线），从而连接APB2外设；而DMA controller 1只有一个master端口连到bus matrix上，另一个绕过bus matrix直接连接到AHB-APB桥1上（绿线），从而连接APB2外设。
• 右边部分是slave，包括一些内存、以及AHB1/2 外设、AHB-APB桥1/2、APB1/2、FSMC扩展外设
• 位于中间的是bus matrix，里面的实线是master和slave之间的通道。bus matrix中的连线，说明了DMA可以访问到Flash、SRAM等，从而进行读写操作；DMA controller 1的上端口只连接到Flash、SRAM等关于memory的外设

Q&A：
1、DMA与CPU如何竞争总线

• 两路DMA、CPU都是bus matrix的master
• DMA和CPU同时访问同一slave时， bus matrix的内部仲裁器会对请求进行仲裁
• DMA和CPU同时访问不同slave时，可以同时工作

2、为什么使用两个DMA？

• 一个DMA的通道数是有限的，因此连接的外设也是有限的，两路DMA可以连接更多的外设DMA请求源
• 两路DMA，在内存、外设的访问空间上做一定区分，可以同时工作，提高效率

3、两个DMA会不会发生竞争？

• 看情况，如果两个DMA连接到同一个外设，比如memory，那么就会产生竞争，此时需要bus matrix进行仲裁
• 如果连接到不同的外设，比如一个连memory一个连AHB2，那就不会

4、同样是DMA，DMA1和2的应用区别？

• DMA2的master端口可以访问总线矩阵的所有slave，包括存储器、AHB1、AHB2、APB1、APB2，因此可以实现存储器、AHB1、AHB2、APB1、APB之间的数据的相互传输
• DMA1的端口1只连接了存储器属性的slave，端口2直接连接到了APB1，只能实现存储器和APB1之间的数据传输；绿线没有经过bus matrix，访问速度快，而且也可以减轻bus matrix的负担，提高效率

5、DMA1为什么只有1个master口连在矩阵上？

• （分工合作）同一个DMA有多个master接口，master功能不同，所映射的地址范围不同，各个端口可以分开操作不同的外设，提高性能
• （加快速度）绕开bus matrix的仲裁而直接连到外设的AHB2APB桥，可以加快对外设的访问速度（注意，DMA 2直接连AHB-APB bridge２，而DMA １直接连AHB-APB bridge１）
• （降低总线矩阵复杂性）减少连接到bus matrix的master接口数量，降低矩阵复杂性，有利于提高系统效率

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• 【芯片通识】04. 芯片中的捷径–DMA功能
• 王道计算机考研 计算机组成原理
• DMA设计详解 - 极术社区
• 《计算机组成原理》第3版 唐朔飞