DMA方式及其接口課件

DMA方式及其介面DMA方式的基本概念

直接記憶體訪問(wèn)（DMA）方式是在外設(shè)和主存之間開(kāi)闢一條“直接數(shù)據(jù)通道”，在不需要CPU干預(yù)也不需要軟體介入的情況下在兩者之間進(jìn)行的高速數(shù)據(jù)傳送方式。在DMA傳送方式中，對(duì)數(shù)據(jù)傳送過(guò)程進(jìn)行控制的硬體稱為DMA控制器。當(dāng)外設(shè)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，通過(guò)DMA控制器向CPU提出DMA傳送請(qǐng)求，CPU回應(yīng)之後將讓出系統(tǒng)匯流排，由DMA控制器接管匯流排進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。DMA方式的基本概念DMA方式具有下列特點(diǎn)：

(1)它使主存與CPU的固定聯(lián)繫脫鉤，主存既可被CPU訪問(wèn)，又可被外設(shè)訪問(wèn)；

(2)在數(shù)據(jù)塊傳送時(shí)，主存地址的確定、傳送數(shù)據(jù)的計(jì)數(shù)等都由硬體電路直接實(shí)現(xiàn)；DMA方式的基本概念

(3)主存中要開(kāi)闢專用緩衝區(qū)，及時(shí)供給和接收外設(shè)的數(shù)據(jù)；

(4)DMA傳送速度快，CPU和外設(shè)並行工作，提高了系統(tǒng)的效率；

(5)DMA在傳送開(kāi)始前要通過(guò)程式進(jìn)行預(yù)處理，結(jié)束後要通過(guò)中斷方式進(jìn)行後處理。DMA方式的基本概念DMA和中斷的重要區(qū)別為：

(1)中斷方式是程式切換，需要保護(hù)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)；而DMA方式除了開(kāi)始和結(jié)尾時(shí)，不佔(zhàn)用CPU的任何資源。

(2)對(duì)中斷請(qǐng)求的回應(yīng)時(shí)間只能發(fā)生在每條指令執(zhí)行完畢時(shí)；而對(duì)DMA請(qǐng)求的回應(yīng)時(shí)間可以發(fā)生在每個(gè)機(jī)器週期結(jié)束時(shí)。DMA方式的基本概念

(3)中斷傳送過(guò)程需要CPU的干預(yù)；而DMA傳送過(guò)程不需要CPU的干預(yù)，故數(shù)據(jù)傳輸速率非常高，適合於高速外設(shè)的成組數(shù)據(jù)傳送。

(4)DMA請(qǐng)求的優(yōu)先順序高於中斷請(qǐng)求。

(5)中斷方式具有對(duì)異常事件的處理能力，而DMA方式僅局限於完成傳送數(shù)據(jù)塊的I/O操作。DMA介面

DMA介面相對(duì)於查詢式介面和中斷式介面來(lái)說(shuō)比較複雜，習(xí)慣將DMA方式的介面電路稱為DMA控制器。DMA介面

在DMA傳送過(guò)程中，DMA控制器將接管CPU的地址匯流排、數(shù)據(jù)匯流排和控制匯流排，CPU的主存控制信號(hào)被禁止使用。而當(dāng)DMA傳送結(jié)束後，將恢復(fù)CPU的一切權(quán)力並開(kāi)始執(zhí)行其操作。由此可見(jiàn)，DMA控制器必須具有控制系統(tǒng)匯流排的能力，即能夠像CPU一樣輸出地址信號(hào)，接收或發(fā)出控制信號(hào)，輸入或輸出數(shù)據(jù)信號(hào)。DMA介面簡(jiǎn)單的DMA控制器框圖DMA介面

DMA控制器主要由以下幾部分組成：

?主存地址計(jì)數(shù)器

?傳送長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器

?數(shù)據(jù)緩衝寄存器

?DMA請(qǐng)求觸發(fā)器

?控制/狀態(tài)邏輯

?中斷機(jī)構(gòu)DMA介面DMA控制器必須有下列引出線：

(1)地址匯流排

在DMA方式下，呈輸出狀態(tài)，可對(duì)主存進(jìn)行地址選擇；在CPU方式下，呈輸入狀態(tài)，可對(duì)DMA控制器中的有關(guān)寄存器進(jìn)行尋址。

(2)數(shù)據(jù)匯流排

在DMA方式下，用它進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送；在CPU方式下，可對(duì)DMA控制器的有關(guān)寄存器進(jìn)行編程。DMA介面

(3)控制數(shù)據(jù)傳送方式的信號(hào)線。

記憶體讀信號(hào)、記憶體寫(xiě)信號(hào)、外設(shè)讀信號(hào)和外設(shè)寫(xiě)信號(hào)。

(4)DMA控制器與外設(shè)之間的聯(lián)絡(luò)信號(hào)線

DMA請(qǐng)求信號(hào)和DMA回應(yīng)信號(hào)。

(5)DMA控制器與CPU之間的聯(lián)絡(luò)信號(hào)線

匯流排請(qǐng)求信號(hào)和匯流排回應(yīng)信號(hào)。DMA介面DMA控制器與CPU及主存、外設(shè)之間的連接框圖DMA介面

下麵以外設(shè)將一個(gè)數(shù)據(jù)塊寫(xiě)入主存的操作為例，簡(jiǎn)述DMA控制器的操作過(guò)程。

①由外設(shè)向DMA控制器發(fā)出DMA請(qǐng)求信號(hào)。

②DMA控制器向CPU發(fā)出匯流排請(qǐng)求信號(hào)。

③CPU向DMA控制器發(fā)出匯流排回應(yīng)信號(hào)，此時(shí)，DMA控制器獲取了匯流排的控制權(quán)。DMA介面

④DMA控制器向外設(shè)發(fā)出DMA回應(yīng)信號(hào)，表示DMA控制器已控制了匯流排，允許外設(shè)與主存交換數(shù)據(jù)。

⑤DMA控制器按主存地址計(jì)數(shù)器的內(nèi)容發(fā)出地址信號(hào)作為主存地址的選擇，同時(shí)主存地址計(jì)數(shù)器的內(nèi)容加1。DMA介面

⑥D(zhuǎn)MA控制器發(fā)出

信號(hào)到外設(shè)，將外設(shè)數(shù)據(jù)讀入數(shù)據(jù)緩衝寄存器，同時(shí)發(fā)出

信號(hào)，將數(shù)據(jù)緩衝寄存器中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入選中的主存單元。

⑦傳送長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器減1。

重複⑤~⑦步驟，直到位元組計(jì)數(shù)器減到0為止，數(shù)據(jù)塊的DMA方式傳送工作宣告完成。這時(shí)，匯流排控制權(quán)交還CPU。DMA介面DMA控制器的操作過(guò)程動(dòng)畫(huà)DMA傳送方法DMA控制器與CPU通常採(cǎi)用CPU停止訪問(wèn)主存法、記憶體分時(shí)法和週期挪用法等3種方法使用主存。DMA傳送方法

CPU停止訪問(wèn)主存法是用DMA請(qǐng)求信號(hào)迫使CPU讓出匯流排控制權(quán)。CPU在現(xiàn)行機(jī)器週期執(zhí)行完成之後，使其數(shù)據(jù)、地址匯流排處?kù)度龖B(tài)，並輸出匯流排批準(zhǔn)信號(hào)。每次DMA請(qǐng)求獲得批準(zhǔn)，DMA控制器獲得匯流排控制權(quán)以後，連續(xù)佔(zhàn)用若干個(gè)存取週期（匯流排週期）進(jìn)行成組連續(xù)的數(shù)據(jù)傳送，直至批量傳送結(jié)束，DMA控制器才把匯流排控制權(quán)交回CPU。DMA傳送方法

記憶體分時(shí)法把原來(lái)的一個(gè)存取週期分成兩個(gè)時(shí)間片，一片分給CPU，一片分給DMA，使CPU和DMA交替地訪問(wèn)主存。這種方法無(wú)須申請(qǐng)和歸還匯流排，使匯流排控制權(quán)的轉(zhuǎn)移幾乎不需要什麼時(shí)間，但這種方法需要主存在原來(lái)的存取週期內(nèi)為兩個(gè)部件服務(wù)，如果要維持CPU的訪存速度不變，就要求主存的工作速度提高一倍。另外，由於大多數(shù)外設(shè)的速度都不能與CPU相匹配，所以供DMA使用的時(shí)間片可能成為空操作，將會(huì)造成一些不必要的浪費(fèi)。DMA傳送方法

週期挪用法是前兩種方法的折衷。當(dāng)外設(shè)沒(méi)有DMA請(qǐng)求時(shí)，CPU按程式要求訪問(wèn)主存；一旦外設(shè)有DMA請(qǐng)求並獲得CPU批準(zhǔn)後，CPU讓出一個(gè)週期的匯流排控制權(quán)，由DMA控制器控制系統(tǒng)匯流排，挪用一個(gè)存取週期進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳送，傳送一個(gè)位元組或一個(gè)字；然後，DMA控制器將匯流排控制權(quán)交回CPU，CPU繼續(xù)進(jìn)行自己的操作，等待下一個(gè)DMA請(qǐng)求的到來(lái)。重複上述過(guò)程，直至數(shù)據(jù)塊傳送完畢。DMA傳送過(guò)程

DMA的傳送過(guò)程可分為3個(gè)階段：DMA傳送前的預(yù)處理、數(shù)據(jù)傳送和傳送後的結(jié)束處理。DMA傳送過(guò)程

DMA預(yù)處理是在DMA傳送之前必須要做準(zhǔn)備工作，即初始化。CPU首先執(zhí)行幾條I/O指令，用於測(cè)試外設(shè)的狀態(tài)、向DMA控制器的有關(guān)寄存器置初值、設(shè)置傳送方向、啟動(dòng)該外部設(shè)備等。

在這些工作完成之後，CPU繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)的程式，在外設(shè)準(zhǔn)備好發(fā)送的數(shù)據(jù)（輸入）或接收的數(shù)據(jù)已處理完畢（輸出）時(shí)，外設(shè)向DMA控制器發(fā)DMA請(qǐng)求，再由DMA控制器向CPU發(fā)匯流排請(qǐng)求。DMA傳送過(guò)程

DMA的數(shù)據(jù)傳送可以以單字節(jié)（或字）為基本單位，也可以以數(shù)據(jù)塊為基本單位。對(duì)於以數(shù)據(jù)塊為單位的傳送，DMA控制器佔(zhàn)用匯流排後的數(shù)據(jù)