原创 DMA无处不在

DMA无处不在

         在一次闲聊中，一位朋友就问其中几位物流专业的同学“你们是什么专业的”。答曰“物流”。那位朋友就调侃说“物流就是把东西搬来搬去”。同学不服，纠正说“应该是‘实现物体空间的位移‘”。然后我就问自己，“我们这般电子工程师在干什么？很多时候（当然不完全是）不也是在做物流吗？只不过对象不同而已，因为我们是‘实现数据（信息）的空间位移’”。哈哈，说得通俗一点，“通信”不也是“物流”吗？

         言归正传，数据的传输可以通过各种各样的途径，载体可以是模拟的，也可以是数字的；协议可以五花八门的，位宽也可以或大或小，速度当然也是各有千秋，电平不同，稳定性也有差异……而这里要提一种在CPU系统数据传输中很常见的通信方式——DMA（Direct Memory Access），即直接存储存取。在很多较高端的DSP或是MCU中，都存在着这样一种数据传输功能，引一段网络上常见的对DAM的解释如下。

DMA是一种不经过CPU而直接从内存存取数据的数据交换模式。在DMA模式下，CPU只须向DMA控制器下达指令，让DMA控制器来处理数据的传送，数据传送完毕再把信息反馈给CPU，这样就很大程度上减轻了CPU资源占有率，可以大大节省系统资源。<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

         那么也就是说，DMA工作时可以和正常工作的CPU毫不相关，CPU可以控制（或者确切的说是配置）DMA，而DMA和CPU和并行工作。大家都明白CPU工作大多要有软件程序运行，而软件的顺序决定了它的速度和性能是有瓶颈的，但是一旦有了DMA这个功能，就能够给系统带来一定性能上的提升。打个不恰当的比方，还是和前面提到的物流相关，在A和B地之间原本只有一条铁轨（对应一条总线）一列火车（对应一个CPU）进行运输，那么如果要在一个月或一年之内多运一些东西（加大数据吞吐量），除了加快火车速度外别无选择，但是DMA就相当于在火车运转过程中的空闲路段上（不被总线占用的模块）增加了一列火车，他不负责全程运输，他只负责一个路段的运输（局部数据传输），并且只能在主运火车不占用该路段的情况下工作（由总线仲裁器进行判断）。

换句话说，DMA可以提升系统的数据吞吐量。因为DMA能够传送CPU配置好的初始地址到目的地址之间的数据，他在初始化并启动之后不需要CPU程序的任何其他控制，直到传输结束递交一个中断信号。DMA的吞吐量很大程度上决定于与他所连接的模块（可以是存储器、总线、芯片等等）。当然，越多的DMA通道也就越能够加大系统的数据吞吐量。就如图1所示。从一个DMA到两个DMA，可以在系统运行中，让每个模块都不处于闲置状态。

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图1

举一个很简单的CPU系统中使用DMA的例子。如图2所示，在不是用DMA的CPU系统中，需要完成一个数据采集（输入）、数据处理、数据传输（输出）的功能，就需要CPU从始至终不停的运转，这三个步骤都是CPU的程序来控制，采集到数据，然后扔进buffer（通常是存储器），处理的时候也需要从buffer里取数据，处理完成还要送出去。同样的功能，如图3所示的含有DMA的系统中对数据的传输就显得游刃有余，CPU可以专注于数据处理，数据输入输出这等搬运工干的活就交给DMA来做，DMA和CPU可以共用一片存储区，并且采用乒乓操作进行交互，这样一来，系统性能得到大大提高，CPU的运算能力也可以最大限度的得到发挥。

图2

图3

         说完CPU系统中的DMA，不得不转移话题来解释下这篇博文的主题“DMA无处不在”。没错，特权同学就是想说FPGA，一个FPGA原型开发系统中“DMA无处不在”。因为一个数据流的处理中，往往是一个流水线式的一刻都不停歇的工作机制。并且任意两个相关模块的通信都有一套握手机制，都有专用的数据地址通道，当然也可以复用，这时候就会涉及到总线仲裁。对于点到点数据传输，特权同学最喜欢的一种简单握手机制如图4所示，模块A要向模块B写入或在读出数据，只要发出req请求，然后送ab/db，直到模块B发出传输完成标志ack信号，那么模块A撤销req完成一次传输。

图4

         而对于多点到点的传输，简单的看就如图5所示。需要添加一个仲裁逻辑。

图5

         再看整个系统的传输，最简单的顺序流传输就如6所示。

图6

         对于稍复杂一些的互联架构的系统，如图7所示。

图7

         从上面的几个示意图中不难发现，尤其是图7，系统的利用率很高，可以做到同一时刻整个系统都在运转，并且可以是毫不相关的。这就是FPGA的硬件特性所决定的，软件系统的硬件架构其实就是FPGA设计的精髓，在FPGA系统中的DMA是无处不在的。