DMA的作用是什么

　　网上文章一大堆都有介绍DMA的作用，是直接内存获取控制器，但由于用途的局限或者用在了复杂的外设上面，导致没有很好的把DMA的作用说的很系统，本人也是根据网上的资料，进行一些DMA的总结，个人觉得比较系统，也权当是笔记，哈哈。如有错误，请各位大神指正。
　　DMA的作用是什么？
　　在没有CPU的参与下，把数据从一个地方搬运到另外一个地方。从这句话，我们可以总结出他的作用：
　　（1）搬运数据。
　　（2）“一个地方”指的是外设或者内存，外设当然包括片内外设和片外外设，比如ADC、UART片内外设，外挂的flash属于片外外设（最终控制的仍然是内部flash控制器）；内存当然包括片内内存和片外内存（仍然是内部的内存控制器），其实，不论外设还是内存，最终都是控制处理器内部的地址。
　　（3）搬运数据的过程中不需要CPU参与，就是不需要有CPU运行汇编指令，也就是说DMA有自己“CPU”，自己干自己需要干的活。
　　总结：DMA就是自己把一个地址的数据搬到另外一个地址。
　　为什么能够DMA？他在处理器中的内部原理图是什么？
　　从DMA的作用中知道，DMA是把一个地址的数据搬运到另外一个地址，所以它需要控制地址，这些地址在处理器内部是AHB和APB总线矩阵管理的，所以DMA必须要挂到AHB和APB上面，下图是ATMEL ARM9的DMA的框图：
　　
　　下图是STM32F4XX的DMA内部的框图：
　　
　　注意，AHB是可以通往操作APB总线的，所以挂到AHB总线上就可以操作外设的。
　　通过上述的两个图，总结一下：
　　（1）DMA需要把数据从“一个地址”搬运到“另外一个地址”，所以它有“两个出入口”。
　　（2）挂到AHB总线的“出入口”可以操作APB上的外设，所以ARM9的DMA控制器，可以实现外设到内存、内存到外设、内存到内存搬运3种功能；然而，STM32F4XX的DMA控制器，的DMA2可以实现3种功能，但是DAM1的一个端口只挂到APB总线上，所以他不能实现内存到内存的功能。
　　（3）一个DMA控制器的构造：
　　（i）数据出入口。
　　（ii）DMA被编程配置的端口，让CPU可以配置DMA的寄存器。
　　（iii）硬件握手的接口，需要接收外设的DMA请求和相应请求。
　　（iv）中断发出接口，当DMA到达某种条件后，需要发出中断通知CPU，比如传输完成、传输出错。
　　DMA的功能细节描述
　　首先数据传输三要素：源、目的、大小。在理想情况下，一个寄存器放源地址，一个寄存器存放目的地址，一个寄存器存放数据大小，最后在DMA通道寄存器使能，让DMA愉快的搬运数据即可。理想是美好的，但现实是多变的，其实，在平时使用中，还要满足各种情况，还要考虑很多细节。
　　（1）源地址的细节。
　　首先，必须有个寄存器存放源地址，一个地址只能存放一个字节的数据，那么考虑问题：
　　（i）如果源的结构是由2个或者4个字节构成的，怎么办？比如说32位的寄存器其实就是4个字节的构造。
　　答：此时需要一个寄存器来设置，源地址的构造是字节、半字还是字。
　　（ii）如果需要传输很多连续单位（字节、半字、字），怎么办？
　　答：此时需要一个寄存器来设置，源地址传输一个单位后，再传输下一个单位的地址是连续递增或者递减。
　　（iii）如果传输多个连续单位（字节、半字、字），怎么办？
　　答：此时需要有多个寄存器设置多个源地址的起始地址。当然别不是所有的DMAC都支持任意多个连续单位，STM32有双buffer功能，就是说可以设置2个起始地址，这两个地址是硬件自动切换的；ARM9通过LLI技术，就是把每个起始地址都提前存放到内存中，形成一个链表，当第一个传输完成后，根据链表查到下一个起始地址的地址，直到最后一个，这种技术可以支持非常多的起始地址，当然链表中的每个节点不只是一个寄存器的内容，下图就是LLI的构造。
　　
　　（iv）由于DMAC都是挂在AHB总线上，如果需要使用AHB总线，必须要AHB总线仲裁给与权限， 每个获取一次权限发送一个单位的数据，所以说这个单位最多就是一个字，从宏观上看，其实速度已经非常的快了，如果还想更快更多怎么办？
　　答：此时就产生了“突发”传输的技术，突发传输的核心是以“量和速度”为核心的传输，啥意思、啥东西，这么复杂？通俗的说的说，就是每当DMAC获得AHB使用权的时候，传输多个单位，在STM32中，是通过FIFO来实现的，因为FIFO最多存16字节的数据（4深度32位），DMAC先把数据存入FIFO，存多少，是根据用户的配置，最少要4个节拍，也就是4个单位，等FIFO的数据阈值达到了用户的设定，STM32是有MBURST域决定的，ARM9如下图，由下面的域决定的：
　　
　　此时DMAC如果获取到了总线的使用权的时候，他会抓住机会不释放总线，直接把用户需求的数据，一次性（分多次）全部传输，下图是“野火”根据英文手册，总结的中文表格（大家都喜欢中文，所以在此引用）：
　　
　　这个图的意思是必须达到这么多节拍才进行突发传输，FIFO阈值，是FIFO要达到总的（16字节）比例，例如用户配置MSIZE=半字，MBURST=4，FIFO级别=1/2，意思就是一次突发由4个节拍（单位）构成，此时达到FIFO的1/2（也就是8个字节），此时MSIZE=半字，所以4半字=8个字节，需要1次突发就可以完成；如果此时FIFO级别=满，此时FIFO里面有16个字节，此时MSIZE=半字，所以（4半字）*2=16字节，因此，需要连续2次突发完成。
　　在ARM9中，是否使用突发传输不需要额外的配置，只是根据请求传输的类型（single或者chunk）DMAC自己决定是否使用突发传输。
　　关于请求开始传输数据
　　（1）不论是DMA还是外设流控，不论是传输方向是内存到外设还是外设到内存，每次传输都是外设发起请求，也就是握手信号由外设产生，但是握手的方式有两种：软件握手和硬件握手。如果是内存到内存模式，就不需要外设参与，也就不需要外设进行请求。
　　（i）软件握手。
　　当外设准备好之后，会通过中断的方式通知CPU自己“已准备就绪”，此时CPU写相应的DMAC寄存器开始DMA传输。
　　（ii）硬件握手。
　　当外设准备好之后，直接通知DMAC自己“已准备就绪”，此时DMAC直接开始传输。
　　STM32所有外设请求硬件握手，而ARM9则可以选择硬件还是软件握手，如果设置成硬件握手还需要设置SRC_PER 或者 DST_PER 的域，把域设置成对应的硬件ID号。
　　关于流控
　　（1）DMA流控的时候，需要传输数据的多少是在传输之前已知的；外设流控的时候，在传输数据之前，需要传输数据的多少是未知的，此时，如果数据传输完成，需要外设发出信号，通知DMA“数据已经发送完成”，STM32中只有SDIO才有这种功能，其他外设不存在这种功能，所以其他外设都要设置成DMA流控，传输次数寄存器DMA_SxNDTR会被硬件自动设置成0xffff，当传输0xffff次之后，如果硬件不通知DMA停止传输，此时仍然会强制让DMA产生完成中断，同时通道也会被强制关闭。在ARM9中，我们发现并不能使用外设流程，如下图：
　　
　　（2）内存到内存的传输，流控只能是DMAC。
　　关于FIFO
　　（1）在单次传输的时候可以开启FIFO使用功能，在突发传输的时候，必须使用FIFO功能，因为突发传输，就是以“数据量和传输速度”为目的的。
　　关于一次传输
　　（1）什么是一次传输？
　　一次传输有三要素：
　　（a）原地址以及位宽。
　　（b）目的地址以及位宽。
　　（c）传输的次数，STM32由DMA_SxNDTR寄存器决定。ARM9是由DMAC_CTRLAx寄存器的BTSIZE域决定的。
　　关于开始和结束传输
　　（1）DMA怎么知道要开始传输了？
　　当源或者目的（非内存外设）准备好之后，就发出请求，此时DMAC就知道可以进行数据传输了。
　　当源和目的都是内存外设的时候，就由DMAC控制器，直接进行数据传输，并不需要请求信号。
　　（a）STM32中，请求信号直接直接与DMAC连接，只有相应的通道使能后，外设准备好之后，就立刻发出请求，并不需要软件参与。
　　（b）在ARM9中，请求是通过设置寄存器发出的，如下图单次传输请求是在DMAC_SREQ寄出器域中：
　　
　　下图是在DMAC_CREQ寄存器的chunk请求：
　　
　　ARM9为什么会有两种不同的请求呢？因为ARM9重DMAC并不能通过配置相关的寄存器进行burst突发传输，而是直接根据请求类型来决定是否进行burst突发传输。
　　（2）CPU怎么知道一次传输完成了？
　　（a）在stm32中，每次传输都会有几种不同的中断产生，当然也可以轮训，下图是可以进行产生的中断种类：
　　
　　大致有三类：传输一半、传输完成、传输出错。
　　（b）在ARM9中，也能产生中断，如下图：
　　
　　大致也是有三类：一个buffer传输完成、buffer链传输完成、传输错误。
　　通过（a）（b）可知，可以通过相应的标志位或者中断，进行判定传输完成。
　　（3）循环传输怎么判断传输完成？
　　在每次的“一次传输”完成都会产生中断标志进的，所以，CPU就能够判断传输完成的。
　　关于传输模式
　　（1）直接模式。不使用FIFO，如果有请求直接进行一次传输。
　　（2）burst突发模式。使用FIFO，根据burst的配置进行突发传输。内存到内存必须使用突发传输。、
　　直接传输和burst传输的区别就是是否使用FIFO，传输模式软件编程需要注意哪些事项？
　　（1）STM32来说是需要配置是否使用直接模式，默认是直接模式，所以不进行突发传输。
　　（2）ARM9并不需要配置是否是直接模式，只是根据请求类型来决定使用哪种方式进行传输。
　　STM32和ARM9的DMA的差异在哪里？
　　（1）握手方面，STM32外设的握手线直接与DMAC连通，并不需要软件配置；ARM9需要进行软件或者硬件握手配置。
　　（2）传输模式方面，STM32需要配置是否使用FIFO的突发传输；ARM9直接根据请求类型，自己决定是否进行突发传输。
　　（3）功能方面，STM32可以进行单次传输和双buffer传输；ARM9由于LLI技术，所以可以进行单buffer和多buffer传输。
　　（4）源和目的地址方面，STM32只能是递增、递减或者固定三种方式；AM9则可以递增、递减、固定或者从LLI中获取。
　　总结
　　DMAC就是进行数据搬运的，搬运中由于需求不同，可以进一步细节的优化，burst突发传输、多buffer技术，最后再奉上一个问答题目：
　　DMA请求总线后，CPU把总线控制权交给了DMA，那么CPU不是就没法从内存读取指令和数据了吗？那么，CPU不就处于干瞪眼的状态吗？这样的话，也没法提高CPU的效率啊，还不然直接让CPU去干DMA的活呢？
　　答：资源是有限的，肯定有争抢和效率的问题（不仅仅是memory，在memory之前还存在对总线的争抢）。但也不用过于悲观，因为（我们从CPU的视角往下说）：
　　（1）CPU不是一直在取指和取数。指令执行的过程包取指、译码和执行，译码肯定不需要访问memory，执行访问memory的概率也不会超过50%。
　　（2）复杂SoC通常有很多级的指令cache和数据cache，在顺序执行的情况下，又可以大大减少CPU访问memory的可能性，降低和DMA冲突、争抢的概率。
　　（3）复杂SoC的总线通常具有仲裁能力，可以配置CPU、DMA等访问总线的优先级，这很大程度上会影响CPU和DMA对memory的访问，如果不想CPU被影响，可以调高它的优先级，反正DMA传输可以慢慢来（见缝插针，这也是DMA设计的初衷）。
　　（4）关于CPU和DMA对memory资源的争抢，也可以通过DMA burst size进行调整。
　　（5）很多时候，系统中的memory（例如DDR），是有并发访问的能力的，可以想象成有多个可并行工作的memory，因此竞争的概率又可以降低了。
　　（6）最后再强调：DMA的性能和CPU的性能是不可调和的，需要根据实际的应用场景小心的平衡。