概述

DMA方式是IO接口的控制方式之一。DMA和其他控制方式相比，它拥有专门的数据通路，所 以主存和设备交换信息时，可以不经过CPU，也不需要CPU参与数据交换（程序中断需要CPU参与中断服务），那么就省去了 保护现场、恢复现场的流程。

由于DMA接口的速度很快，所以经常用于高速IO设备，因为高速IO设备如果不及时交互信息，很可能产生数据丢失。

上面所有的优势均建立在 主存和IO设备直接交换信息，不需要经过CPU这个条件之上，而当CPU和IO设备同时访问主存时，就会发生冲突。为了解决冲突，通常会采用以下几个方法：

• 停止CPU访存
• 周期挪用（又称周期窃取）
• 交替访问

停止CPU访存

假设IO设备要发送一些数据，DMA接口会向CPU发出一个停止信号，要求CPU放弃总线控制前，DMA接口获得总线控制权后，开始进行数据传送，在数据传输结束后，DMA接口通知CPU可以使用主存，并把总线使用权交给CPU。其时序图如下所示

这种方式的缺陷主要在于 CPU失去总线控制权的这段时间里，DMA接口也并不是百分百利用这段时间，因为IO设备传输数据给接口的数据缓冲器这段时间也总大于一个存期周期。换句话来说，当IO设备还在准备数据的时候，CPU也仍然处于空闲状态。

周期挪用（周期窃取）

当IO设备发出DMA请求时，IO设备便挪用或窃取总线占用权一个或几个周期，而DMA不请求时，CPU仍可继续访问。

而IO设备请求DMA时，会有三种状况：

1. CPU不访问主存，那么DMA接口和CPU不会发生主存
2. CPU正在访问主存，那么DMA接口需要等待该次存储周期结束
3. DMA和CPU同时要访问主存时，DMA接口发出请求占用几个存取周期（即在CPU执行访存指令过程中插入DMA请求，使CPU延迟了几个周期再访问）

IO设备每挪用一个主存周期都要申请总线控制权、建立总线控制权和归还总线控制权。因此，对于主存来说，虽然只传一个字只占用一个周期，但对DMA接口来说，要处理包括申请、建立、传输、归还等阶段，实质上DMA接口要占好几个周期。

因此周期挪用适合IO设备的读/写周期大于主存周期的情况。

DMA与CPU交替执行

这种方式不需要总线使用权的申请、建立、归还过程，总线使用权分别由C₁、C₂控制的。CPU和DMA接口各自有独立的访存地址寄存器、数据寄存器、读写信号。实际上总线变成了C₁、C₂控制下的多路转换器，其总线控制权的转移几乎不需要时间，具有很高的DMA传送速率。

DMA接口的功能和组成

DMA接口应该具有以下几个功能：

1. 向CPU申请DMA传送
2. 在CPU允许DMA工作时，处理总线控制权的转交，避免引起总线竞争
3. 在DMA期间管理系统总线，控制数据传输
4. 确定数据传送的起始地址和数据长度，更新数据传输过程中的数据地址和数据长度
5. 在数据块传输结束时，给出DMA操作完成的信号

DMA接口的组成原理如下图所示

DMA数据传输的流程

DMA的数据传送过程分为 预处理、数据传送、后处理三个阶段。
其示意图如下所示：

预处理

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送方向
• 给设备地址寄存器（DAR）送入设备信号
• 向主存地址寄存器（AR）送入交换数据的起始地址
• 对字计数器赋予交换数据的个数

当这些工作完成后，程序初始化结束。

数据传输

等IO设备准备好数据 或 处理完输出的数据后，就让DMA接口向CPU提出总线获取控制权，如果有多个DMA请求，则按轻重缓急排队等待。当IO设备获取到总线控制权后，数据的传输就由DMA进行管理。

数据读取过程：

1. IO设备发送数据到数据缓冲区内
2. IO设备发送DREQ请求给DMA控制逻辑
3. DMA控制逻辑发送HRQ给总线申请获取总线控制权
4. 获取成功后，DMA控制逻辑收到HLDA响应，将总线控制权交给DMA接口
5. 将DMA主存地址寄存器的主存地址送到地址总线，并命令存储器写
6. 通知设备已被授予一个DMA周期（DACK），并为下一个字做准备
7. 将DMA数据缓存寄存器的内容送至数据总线
8. 主存将数据总线上的信息写到地址总线指定的存储单元
9. 修改AR和WC
10. 判断数据块是否结束，若未结束继续传输；否则向CPU申请程序中断，标志数据传输完毕

输出数据过程：

1. 当DMA的BR已将数据送至IO设备后，表示BR已空
2. 设备向DMA接口发请求DREQ
3. DMA接口向CPU申请总线控制权HRQ
4. CPU发回HLDA信号，允许交出总线控制权
5. 将DMA主存地址寄存器中的主存地址送到地址总线，并命令存储器读
6. 通知设备已经被授予一个DMA周期（DACK），并为交换下一个字做准备
7. 主存将相应地址单元的内容通过数据总线读入DMA的BR中
8. 将BR的内容送到输出设备
9. 修改AR和WC
10. 判断数据块是否结束，若未结束继续传输；否则向CPU申请程序中断，标志数据传输完毕

后处理

当DMA的中断请求得到响应后，CPU停止原程序的执行，转去执行中断服务程序，做一些DMA的结束工作，包括校验数据的正确性、决定是否继续用DMA传送其他数据块、测试传输过程中是否发生错误。