DMA方式

DMA（Direct Memory Access，直接存储器访问）是一种高速 I/O 方式。DMA 控制器直接控制数据在 I/O 设备和内存之间传输，无需 CPU 逐字节干预。CPU 只在传输开始和结束时参与，数据传输期间可以做其他工作。

与中断方式的区别

工作流程

1. CPU 向 DMA 控制器发送命令：
   - 内存起始地址、传输数据长度、传输方向（读/写）、设备号
2. CPU 继续执行其他程序（DMA 接手总线）
3. DMA 控制器控制数据传输：
   - 每次传输一个字/字节，发总线请求占用总线
   - 数据直接在 I/O 设备与内存间传送
   - 地址寄存器 +1，计数器 -1
4. 传输完成 → DMA 向 CPU 发中断请求
5. CPU 响应中断，处理传输结束

主要寄存器

DMA 控制器
  MAR（内存地址寄存器） ← 当前内存地址
  DAR（设备地址寄存器） ← 设备端口地址
  WC （字计数器）       ← 剩余传输字数（补码）
  CR （控制/状态寄存器） ← 传输方向、模式等
  BR （总线请求）       → 向仲裁器发请求
  BG （总线授权）       ← 接收仲裁器授权
  IRQ（中断请求）       → 传输完成后中断 CPU
  数据缓冲寄存器         ← 暂存传输数据

各寄存器功能

停止 CPU 访问（Stop CPU）

DMA 传输期间，CPU 完全放弃总线控制权，直到传输结束才归还。

CPU: ────────|停止访问|────────────
DMA:         |=========传输========|

周期窃取（Cycle Stealing）⭐

DMA 每次只窃取一个总线周期传输一个字，然后归还总线给 CPU。

CPU: ──工作──|窃取|──工作──|窃取|──工作──
DMA:         |传输|        |传输|

DMA 与 CPU 交替访问

DMA 和 CPU 各自使用总线的不同部分，或在时钟的不同相位访问，无需总线仲裁，效率最高，但需要特殊硬件支持。

读操作（内存 → 设备）

1. DMA 发总线请求 BR        6. MAR ← MAR + 1
2. 仲裁器发总线授权 BG      7. WC  ← WC - 1
3. DMA 将 MAR 地址送地址总线 8. 归还总线（BG 撤销）
4. DMA 发读命令（内存→数据总线）9. 若 WC ≠ 0，回到步骤 1
5. 数据从数据总线送到设备    10. 若 WC = 0，发中断请求

写操作（设备 → 内存）

1. DMA 发 BR                6. MAR ← MAR + 1
2. 仲裁器发 BG              7. WC  ← WC - 1
3. DMA 将 MAR 地址送地址总线 8. 归还总线
4. 设备数据送到数据总线      9. 若 WC ≠ 0，回到步骤 1
5. DMA 发写命令（数据总线→内存）10. 若 WC = 0，发中断请求

CPU 初始化 DMAC

void setup_dma(int *buffer, int length, int dir) {
    out(DMA_MAR, buffer);            // 内存起始地址
    out(DMA_WC, -length);            // 字计数（补码）
    out(DMA_CR, dir | DMA_ENABLE);   // 控制命令
    // 启动后 CPU 可以做其他事
}

DMA 和 CPU 共享系统总线，需要总线仲裁机制。通常 DMA 优先级高于 CPU（保证数据不丢失），但可通过编程调整。

CPU 性能损失 = DMA 占用的总线周期 / 总周期数
例：CPU 主频 1GHz，总线周期 100MHz
    DMA 传输速率 100MB/s，总线宽度 32 位
    DMA 占用率 = 100MB/s / (100MHz × 4B) = 25%
    CPU 性能损失约 25%

链式 DMA（Scatter-Gather）

支持不连续内存块的传输，DMA 描述符链表：
[地址1, 长度1] → [地址2, 长度2] → [地址3, 长度3] → NULL
DMA 控制器自动按链表传输，无需 CPU 干预

多通道 DMA

多个 DMA 通道独立工作，每个通道连接不同设备
通道间可并行传输

通道是专用的 I/O 处理器，有自己的指令集（通道指令），可独立执行 I/O 程序。CPU 只需启动通道，通道自动完成全部 I/O，利用率最高。

传输时间   = 数据量 / DMA 传输速率
例：传输 1MB 数据，DMA 速率 100MB/s → 10ms

CPU 占用   = 初始化时间 + 中断处理时间
            （DMA 传输期间 CPU 可做其他工作）

总线带宽占用：
CPU 可用带宽 = 总线带宽 - DMA 带宽占用
例：总线带宽 400MB/s，DMA 占用 100MB/s → CPU 可用 300MB/s