计算机科学导论（4）DMA传输原理

DMA（Direct Memory Access）直接内存访问是一种允许某些硬件子系统在不通过中央处理单元（CPU）的情况下，直接从内存读取或向内存写入数据的技术。这种方式可以显著提高数据传输的效率，减轻CPU的负担，使CPU能够同时处理其他计算任务。

在没有 DMA 技术前，全程数据拷贝都需要CPU来做，严重消耗CPU。

在引入了DMA后：

DMA的工作原理

• 当外部设备有DMA使用需求时，会向DMAC(DMA控制器)发出DMA请求信号（DREQ）
• DMAC控制器接收到外部设备的请求信号后，会向CPU发出一个总线请求信号（HOLD）
• CPU在接收到DMAC控制器发送过来的总线请求信号后，如果允许DMA传输，则会在总线空闲后，发出DMA响应信号（HLDA）。然后CPU会将控制总线、数据总线和地址总线置高阻态，即放弃对总线的控制权；另一方面，CPU会将有效的DMA响应信号发送给DMAC控制器，通知DMAC控制器CPU已经放弃了对总线的控制权
• DMAC控制器收到总线发来的DMA响应信号（HLDA）后，会获得总线的控制权，并向外部设备发送应答信号DACK，通知外设可以进行DMA传输了
• DMAC还会向存储器发送地址信号，向存储器和外设发出读/写控制信号，控制数据按设定的方向传输，实现外设与内存的数据传输
• 数据全部传输结束后，DMAC向CPU发送HOLD信号，要求撤销DMAC控制器对总线的控制权，CPU收到该信号后，会使HLDA（DMA请求）信号无效，收回总线控制权。

概括而言有两组信号：

• DRQ：外设向DMA控制器（DMAC，DMA Controller）提出的要进行DMA操作的申请信号。
• DACK：DMA控制器向发出DRQ信号的外设的回应，表示收到请求和正在进行处理。
• HRQ：DMA控制器向CPU发出的要求接管总线的请求信号。
• HLDA：CPU向DMA控制器发出的允许接管总线的应答信号。

DMA的优势

• 高效性：通过减少CPU参与数据传输的次数，DMA可以显著提高数据传输速度，尤其是在处理大量数据时。
• 减轻CPU负担：DMA允许CPU在数据传输期间执行其他任务，从而提高了整个系统的效率和响应速度。

DMA的类型

• 单块传输模式：在这种模式下，每次传输一块数据。每次传输完成后，DMA控制器都会发送中断信号给CPU。
• 突发传输模式：允许DMA控制器一次性传输一整组数据块，直到数据传输完成，只在最后发送一个中断信号给CPU。这种模式进一步提高了数据传输效率。

DMA的应用

DMA广泛应用于需要高速数据传输的场景，如硬盘驱动器、固态驱动器、网络卡、声卡等外围设备与内存之间的数据传输。

总之，DMA是一种有效提高数据传输效率、减轻CPU负担的关键技术，对于现代计算机系统的高性能运行至关重要。