DMA方式和通道方式

6.6 直接存儲器存取（DMA）一、基本概念DMA(DirectMemoryAccess)

直接存儲器存取在主存儲器和外設之間直接進行數(shù)據(jù)交換，不需要CPU的程序干預。通過專門的硬件裝置——DMA控制器（DMAC）來進行控制，并借用系統(tǒng)總線作為信息的傳送通道。除事先設置DMAC需要CPU介入外，一旦啟動DMA傳送，則完全由硬件自動操作完成，整個傳送過程不再需要CPU的干預。在微機系統(tǒng)中，DMAC有雙重身份：在CPU掌管總線時，它是總線上的被控設備（I/O設備），CPU可以對它進行I/O讀和I/O寫；在DMAC接管總線時，它是總線的主控設備，通過系統(tǒng)總線來控制存儲器和外設直接進行數(shù)據(jù)交換。2一、基本概念DMA的適用場合高速外設（當外設的速度接近或超過一條指令的處理速度）用于磁盤、磁帶、光盤等外存儲設備的接口用于網(wǎng)絡通信接口用于動態(tài)存儲器的刷新用于高速數(shù)據(jù)采集接口3二、 DMA的傳送方式周期挪用方式當DMA要求訪問主存時，如果CPU也要訪問主存，則CPU暫時停頓一個存儲周期。一個數(shù)據(jù)結(jié)束后，CPU立即繼續(xù)運行。也稱單字傳送方式。適用：主存儲器工作速度高出I/O設備較多時?？梢蕴岣咧鞔娴臅r間利用率，對CPU程序執(zhí)行的影響較小。CPU訪存讀盤（寫盤）周期挪用CPU處理內(nèi)部事務DMA訪存主存工作時間t4二、 DMA的傳送方式CPU暫停訪問方式當DMA傳送數(shù)據(jù)時，CPU停止工作，把主存使用權(quán)交給DMA控制邏輯。在這批數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后，DMA再交還主存使用權(quán)。也稱成組傳送方式。適用：I/O設備的數(shù)據(jù)傳輸率接近主存儲器的工作速度。讀盤（寫盤）CPU訪存DMA訪存可供CPU訪問DMA工作可供CPU訪問讀盤（寫盤）t主存工作時間5二、 DMA的傳送方式3.DMA與CPU交替訪存方式“透明的DMA方式”適用：外設的工作周期接近主存的存取周期CPU訪存DMA訪存1234…………主存工作時間t6三、DMA接口組成主存地址寄存器塊長計數(shù)器設備數(shù)據(jù)地址寄存器命令／狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器DMA控制邏輯中斷控制邏輯端口譯碼DMA接口負責申請、控制總線，控制DMA傳送DMA接口的基本模型（圖6.39）7三、DMA接口組成中斷邏輯DMA邏輯數(shù)據(jù)塊長計數(shù)器端口譯碼命令狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器主存地址寄存器設備數(shù)據(jù)地址寄存器…外設-11中斷向量ABDB中斷請求中斷應答DMA請求DMA應答MMRDMMWR8四、DMA過程包括：1初始化、2DMA傳送、3結(jié)束處理。初始化，包括：中斷初始化（設置中斷向量，允許中斷等）對DMA接口設置參數(shù)：主存緩沖區(qū)首地址傳送的數(shù)據(jù)塊長度外設地址啟動命令及傳送方向設置中斷向量消除屏蔽位開中斷CPU內(nèi)存首地址=>接口主存地址寄存器外設數(shù)據(jù)地址=>接口外設地址寄存器數(shù)據(jù)塊長度=>接口塊長計數(shù)器讀/寫及啟動命令=>接口命令寄存器啟動磁盤中斷初始化DMA初始化DMA接口9四、DMA過程DMA傳送（以輸入為例）

DMA請求當輸入數(shù)據(jù)已準備好，接口緩沖寄存器已滿時，接口通過DMA請求邏輯向CPU發(fā)DMA請求；

DMA響應

CPU接到DMA請求，在當前內(nèi)存周期結(jié)束后，將總線輸出端置成高阻態(tài)，發(fā)出DMA應答信號，將總線控制權(quán)交給DMA控制器

DMA訪問內(nèi)存接口接到應答信號后，接管總線使用權(quán)，將接口中主存地址送地址總線，將存儲器讀寫信號送控制總線，完成一次數(shù)據(jù)傳送。每次DMA傳送后，接口中主存地址自增(或自減),數(shù)據(jù)塊長度減1完成一次傳送后，清除DMA請求信號，準備好下一批時，再發(fā)DMA請求信號。重復直至傳送結(jié)束。DMA接口組成10DMA訪問內(nèi)存CPU訪問內(nèi)存中斷應答中斷請求一批數(shù)據(jù)讀寫完畢磁盤中斷處理程序IRET一條指令執(zhí)行結(jié)束中斷向量當前內(nèi)存周期結(jié)束DMA應答DMA訪問內(nèi)存CPU訪問內(nèi)存DMA請求數(shù)據(jù)寄存器滿當前內(nèi)存周期結(jié)束DMA應答讀盤柱面符合？扇區(qū)符合？NNCPU訪問內(nèi)存讀盤DMA請求數(shù)據(jù)寄存器滿其它任何程序磁盤尋址DMA接口CPU11四、DMA過程結(jié)束處理數(shù)據(jù)塊傳送完畢后，發(fā)中斷請求信號，CPU進行中斷處理。（重新初始化或中止DMA操作）DMA接口組成12五、DMA方式特點(與中斷方式對比)DMA方式的并行性比中斷方式更高；僅初始化和結(jié)束處理需CPU干預DMA傳送無需程序切換、程序控制；DMA方式主要是靠硬件來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送；CPU響應DMA請求在CPU周期結(jié)束后，而響應中斷是在當前指令周期結(jié)束后；DMA方式中存在CPU與DMA接口之間內(nèi)存訪問權(quán)和總線控制權(quán)的頻繁轉(zhuǎn)換；DMA只能完成數(shù)據(jù)傳送，不能像中斷那樣實現(xiàn)各種處理功能。136.7I/O通道控制方式程序查詢方式、程序中斷、DMA有共同特點：1、都需要CPU的介入程序查詢：完全介入；中斷：需要CPU介入，但CPU可做其他事務；DMA：在傳輸開始和結(jié)束時介入。2、都需要接口硬件支持程序查詢：最簡單的硬件；中斷：需增加中斷控制器；DMA：需增加DMA控制器但保留中斷控制器。因此，這三種方式適用于外設不太多的小型機、微型機。對于I/O數(shù)量多，輸入輸出頻繁的系統(tǒng)，占用CPU時間太多，接口硬件太復雜。156.7.1基本概念通道，能執(zhí)行有限通道指令的I/O控制器，代替CPU管理控制外設。與DMA相比都能在I/O設備和主存之間建立數(shù)據(jù)直傳通路；DMA只能實現(xiàn)固定的數(shù)據(jù)傳送控制，而通道有自己的指令和程序，具有更強的獨立處理數(shù)據(jù)輸入和輸出的能力。DMA只能控制一臺或少數(shù)幾臺同類設備，而一個通道可以同時控制多臺同類或不同類設備。通道是在一定的硬件基礎上利用軟件手段實現(xiàn)對I/O的控制和傳送。16CPU主機主存儲器通道通道設備控制器設備控制器設備控制器設備控制器外設外設…外設外設…外設外設…外設外設…典型具有通道的計算機結(jié)構(gòu)176.7.2通道的功能接受CPU的I/O指令，并按指令要求選擇指定外設。從主存中取出相應通道程序執(zhí)行，向設備控制器發(fā)送各種命令?？刂仆庠O和主存間的數(shù)據(jù)交換，根據(jù)需要進行數(shù)據(jù)字的拆裝，提供數(shù)據(jù)緩存空間以及指示數(shù)據(jù)存入主存的地址和數(shù)據(jù)量。獲得外設的狀態(tài)信息，并形成整個通道的狀態(tài)信息，根據(jù)要求將這些信息存入主存特定單元，提供給CPU使用。將來自外設的中斷請求和通道本身的中斷請求按次序及時報告給CPU。來自通道的中斷有兩種：數(shù)據(jù)傳送結(jié)束中斷，故障中斷。186.7.3通道的類型字節(jié)多路通道用于連接多臺慢速外設，如鍵盤、打印機等以字節(jié)交叉方式傳送信息數(shù)據(jù)傳輸率等于各慢速外設速度之和A1A2…B1B2…C1C2…通道A1B1C1A2B2C2。。。196.7.3通道的類型2.選擇通道可連接多臺高速外設，但一次只選擇一臺設備，成組傳送。待一批數(shù)據(jù)傳送完畢后，才能選擇另一臺設備。數(shù)據(jù)傳輸率等于所連接外設中速度最高的外設速率A1A2…B1B2…C1C2…通道A1A2C1B2B1C2………206.7.3通道的類型3.數(shù)組多路通道綜合前兩種通道的優(yōu)點，可連接多臺高速設備，允許幾臺設備并行工作，以成組交叉方式傳送。每個外設都有數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。最大傳輸率為所連外設中傳輸率最大的一個。21具有三種通道的計算機系統(tǒng)主CPU選擇通道內(nèi)存字節(jié)多路通道數(shù)組多路通道系統(tǒng)總線設備控制器低速設備設備控制器中速設備設備控制器高速設備設備控制器高速設備設備控制器高速設備設備控制器高速設備………局部I/O總線局部I/O總線局部I/O總線226.7.4通道的工作過程通道完成一次數(shù)據(jù)傳輸，工作過程主要分以下3步：在用戶程序中，遇到輸入輸出訪管指令，由CPU通過管理程序組織一個通道程序，并啟動通道。通道執(zhí)行CPU為它組織的通道程序，完成指定的數(shù)據(jù)輸入輸