DMA無(wú)處不在http://blog./ilove314/1790879/message.aspx

         在一次閑聊中，一位朋友就問(wèn)其中幾位物流專(zhuān)業(yè)的同學(xué)“你們是什么專(zhuān)業(yè)的”。答曰“物流”。那位朋友就調(diào)侃說(shuō)“物流就是把東西搬來(lái)搬去”。同學(xué)不服，糾正說(shuō)“應(yīng)該是‘實(shí)現(xiàn)物體空間的位移‘”。然后我就問(wèn)自己，“我們這般電子工程師在干什么？很多時(shí)候（當(dāng)然不完全是）不也是在做物流嗎？只不過(guò)對(duì)象不同而已，因?yàn)槲覀兪恰畬?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)（信息）的空間位移’”。哈哈，說(shuō)得通俗一點(diǎn)，“通信”不也是“物流”嗎？

         言歸正傳，數(shù)據(jù)的傳輸可以通過(guò)各種各樣的途徑，載體可以是模擬的，也可以是數(shù)字的；協(xié)議可以五花八門(mén)的，位寬也可以或大或小，速度當(dāng)然也是各有千秋，電平不同，穩(wěn)定性也有差異……而這里要提一種在CPU系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸中很常見(jiàn)的通信方式——DMA（Direct Memory Access），即直接存儲(chǔ)存取。在很多較高端的DSP或是MCU中，都存在著這樣一種數(shù)據(jù)傳輸功能，引一段網(wǎng)絡(luò)上常見(jiàn)的對(duì)DAM的解釋如下。

DMA是一種不經(jīng)過(guò)CPU而直接從內(nèi)存存取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換模式。在DMA模式下，CPU只須向DMA控制器下達(dá)指令，讓DMA控制器來(lái)處理數(shù)據(jù)的傳送，數(shù)據(jù)傳送完畢再把信息反饋給CPU，這樣就很大程度上減輕了CPU資源占有率，可以大大節(jié)省系統(tǒng)資源。

         那么也就是說(shuō)，DMA工作時(shí)可以和正常工作的CPU毫不相關(guān)，CPU可以控制（或者確切的說(shuō)是配置）DMA，而DMA和CPU和并行工作。大家都明白CPU工作大多要有軟件程序運(yùn)行，而軟件的順序決定了它的速度和性能是有瓶頸的，但是一旦有了DMA這個(gè)功能，就能夠給系統(tǒng)帶來(lái)一定性能上的提升。打個(gè)不恰當(dāng)?shù)谋确?，還是和前面提到的物流相關(guān)，在A和B地之間原本只有一條鐵軌（對(duì)應(yīng)一條總線(xiàn)）一列火車(chē)（對(duì)應(yīng)一個(gè)CPU）進(jìn)行運(yùn)輸，那么如果要在一個(gè)月或一年之內(nèi)多運(yùn)一些東西（加大數(shù)據(jù)吞吐量），除了加快火車(chē)速度外別無(wú)選擇，但是DMA就相當(dāng)于在火車(chē)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的空閑路段上（不被總線(xiàn)占用的模塊）增加了一列火車(chē)，他不負(fù)責(zé)全程運(yùn)輸，他只負(fù)責(zé)一個(gè)路段的運(yùn)輸（局部數(shù)據(jù)傳輸），并且只能在主運(yùn)火車(chē)不占用該路段的情況下工作（由總線(xiàn)仲裁器進(jìn)行判斷）。

換句話(huà)說(shuō)，DMA可以提升系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量。因?yàn)?/span>DMA能夠傳送CPU配置好的初始地址到目的地址之間的數(shù)據(jù)，他在初始化并啟動(dòng)之后不需要CPU程序的任何其他控制，直到傳輸結(jié)束遞交一個(gè)中斷信號(hào)。DMA的吞吐量很大程度上決定于與他所連接的模塊（可以是存儲(chǔ)器、總線(xiàn)、芯片等等）。當(dāng)然，越多的DMA通道也就越能夠加大系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量。就如圖1所示。從一個(gè)DMA到兩個(gè)DMA，可以在系統(tǒng)運(yùn)行中，讓每個(gè)模塊都不處于閑置狀態(tài)。

圖1

舉一個(gè)很簡(jiǎn)單的CPU系統(tǒng)中使用DMA的例子。如圖2所示，在不是用DMA的CPU系統(tǒng)中，需要完成一個(gè)數(shù)據(jù)采集（輸入）、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸（輸出）的功能，就需要CPU從始至終不停的運(yùn)轉(zhuǎn)，這三個(gè)步驟都是CPU的程序來(lái)控制，采集到數(shù)據(jù)，然后扔進(jìn)buffer（通常是存儲(chǔ)器），處理的時(shí)候也需要從buffer里取數(shù)據(jù)，處理完成還要送出去。同樣的功能，如圖3所示的含有DMA的系統(tǒng)中對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸就顯得游刃有余，CPU可以專(zhuān)注于數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)輸入輸出這等搬運(yùn)工干的活就交給DMA來(lái)做，DMA和CPU可以共用一片存儲(chǔ)區(qū)，并且采用乒乓操作進(jìn)行交互，這樣一來(lái)，系統(tǒng)性能得到大大提高，CPU的運(yùn)算能力也可以最大限度的得到發(fā)揮。

圖2

圖3

         說(shuō)完CPU系統(tǒng)中的DMA，不得不轉(zhuǎn)移話(huà)題來(lái)解釋下這篇博文的主題“DMA無(wú)處不在”。沒(méi)錯(cuò)，特權(quán)同學(xué)就是想說(shuō)FPGA，一個(gè)FPGA原型開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中“DMA無(wú)處不在”。因?yàn)橐粋€(gè)數(shù)據(jù)流的處理中，往往是一個(gè)流水線(xiàn)式的一刻都不停歇的工作機(jī)制。并且任意兩個(gè)相關(guān)模塊的通信都有一套握手機(jī)制，都有專(zhuān)用的數(shù)據(jù)地址通道，當(dāng)然也可以復(fù)用，這時(shí)候就會(huì)涉及到總線(xiàn)仲裁。對(duì)于點(diǎn)到點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸，特權(quán)同學(xué)最喜歡的一種簡(jiǎn)單握手機(jī)制如圖4所示，模塊A要向模塊B寫(xiě)入或在讀出數(shù)據(jù)，只要發(fā)出req請(qǐng)求，然后送ab/db，直到模塊B發(fā)出傳輸完成標(biāo)志ack信號(hào)，那么模塊A撤銷(xiāo)req完成一次傳輸。

圖4

         而對(duì)于多點(diǎn)到點(diǎn)的傳輸，簡(jiǎn)單的看就如圖5所示。需要添加一個(gè)仲裁邏輯。

圖5

         再看整個(gè)系統(tǒng)的傳輸，最簡(jiǎn)單的順序流傳輸就如6所示。

圖6

         對(duì)于稍復(fù)雜一些的互聯(lián)架構(gòu)的系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7

         從上面的幾個(gè)示意圖中不難發(fā)現(xiàn)，尤其是圖7，系統(tǒng)的利用率很高，可以做到同一時(shí)刻整個(gè)系統(tǒng)都在運(yùn)轉(zhuǎn)，并且可以是毫不相關(guān)的。這就是FPGA的硬件特性所決定的，軟件系統(tǒng)的硬件架構(gòu)其實(shí)就是FPGA設(shè)計(jì)的精髓，在FPGA系統(tǒng)中的DMA是無(wú)處不在的。