DMA 控制器介紹

DMATrainning 2007 8 15 一 基本概念1 DirectMemoryAccess 直接存儲器存取 這是指一種高速的數(shù)據(jù)傳輸操作 允許在外部設(shè)備和存儲器之間直接讀寫數(shù)據(jù) 既不通過CPU 也不需要CPU干預(yù) 整個數(shù)據(jù)傳輸操作在一個稱為 DMA控制器 的控制下進(jìn)行的 CPU除了在數(shù)據(jù)傳輸開始和結(jié)束時做一點處理外 在傳輸過程中CPU可以進(jìn)行其他的工作 這樣 在大部分時間里 CPU和輸入輸出都處于并行操作 因此 使整個計算機(jī)系統(tǒng)的效率大大提高 DMA技術(shù)中 數(shù)據(jù)的傳送是在DMA控制器 DMAC 的控制下進(jìn)行的 2 DMAC傳送數(shù)據(jù)的三個階段 a 傳送前的預(yù)處理b 數(shù)據(jù)傳送c 傳送結(jié)束處理3 DMAC有兩種工作狀態(tài) 主動工作狀態(tài) 有效周期 和被動工作狀態(tài) 空閑周期 4 DMA控制器對總線的占用方式有a 獨占方式b 周期挪用方式 三 基本的DMA控制器1 DMA控制器的基本組成一個DMA控制器 實際上是采用DMA方式的外圍設(shè)備與系統(tǒng)總線之間的接口電路 這個接口電路是在中斷接口的基礎(chǔ)上再加DMA機(jī)構(gòu)組成 習(xí)慣上將DMA方式的接口電路稱為DMA控制器 下頁圖示出了一個最簡單的DMA控制器組成示意圖 一個最簡單的DMA控制器由以下邏輯部件組成 1 內(nèi)存地址計數(shù)器用于存放內(nèi)存中要交換的數(shù)據(jù)的地址 在DMA傳送前 須通過程序?qū)?shù)據(jù)在內(nèi)存中的起始位置 首地址 送到內(nèi)存地址計數(shù)器 而當(dāng)DMA傳送時 每交換一次數(shù)據(jù) 將地址計數(shù)器加 1 從而以增量方式給出內(nèi)存中要交換的一批數(shù)據(jù)的地址 2 字計數(shù)器用于記錄傳送數(shù)據(jù)塊的長度 多少字?jǐn)?shù) 其內(nèi)容也是在數(shù)據(jù)傳送之前由程序預(yù)置 交換的字?jǐn)?shù)通常以補碼形式表示 在DMA傳送時 每傳送一個字 字計數(shù)器就加 1 當(dāng)計數(shù)器溢出即最高位產(chǎn)生進(jìn)位時 表示這批數(shù)據(jù)傳送完畢 于是引起DMA控制器向CPU發(fā)中斷信號 3 數(shù)據(jù)緩沖寄存器用于暫存每次傳送的數(shù)據(jù) 一個字 當(dāng)輸入時 由設(shè)備 如磁盤 送往數(shù)據(jù)緩沖寄存器 再由緩沖寄存器通過數(shù)據(jù)總線送到內(nèi)存 反之 輸出時 由內(nèi)存通過數(shù)據(jù)總線送到數(shù)據(jù)緩沖寄存器 然后再送到設(shè)備 4 DMA請求 標(biāo)志每當(dāng)設(shè)備準(zhǔn)備好一個數(shù)據(jù)字后給出一個控制信號 使 DMA請求 標(biāo)志置 1 該標(biāo)志置位后向 控制 狀態(tài) 邏輯發(fā)出DMA請求 后者又向CPU發(fā)出總線使用權(quán)的請求 HOLD CPU響應(yīng)此請求后發(fā)回響應(yīng)信號HLDA 控制 狀態(tài) 邏輯接收此信號后發(fā)出DMA響應(yīng)信號 使 DMA請求 標(biāo)志復(fù)位 為交換下一個字做好準(zhǔn)備 5 控制 狀態(tài) 邏輯由控制和時序電路以及狀態(tài)標(biāo)志等組成 用于修改內(nèi)存地址計數(shù)器和字計數(shù)器 指定傳送類型 輸入或輸出 并對 DMA請求 信號和CPU響應(yīng)信號進(jìn)行協(xié)調(diào)和同步 6 中斷機(jī)構(gòu)當(dāng)字計數(shù)器溢出時 為0時 意味著一組數(shù)據(jù)交換完畢 由溢出信號觸發(fā)中斷機(jī)構(gòu) 向CPU提出中斷報告 這里的中斷與上一節(jié)介紹的I O中斷所采用的技術(shù)相同 但中斷的目的不同 前面是為了數(shù)據(jù)的輸入或輸出 而這里是為了報告一組數(shù)據(jù)傳送結(jié)束 因此它們是I O系統(tǒng)中不同的中斷事件 2 DMA數(shù)據(jù)傳送過程 DMA的數(shù)據(jù)塊傳送過程可分為三個階段 傳送前預(yù)處理 正式傳送 傳送后處理 預(yù)處理由CPU執(zhí)行幾條輸入輸出指令 測試設(shè)備狀態(tài) 向DMA控制器的設(shè)備地址寄存器中送入設(shè)備號并啟動設(shè)備 向內(nèi)存地址計數(shù)器中送入起始地址 向字計數(shù)器中送入交換的數(shù)據(jù)字個數(shù) 在這些工作完成后 CPU繼續(xù)執(zhí)行原來的主程序 正式傳送當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備好發(fā)送數(shù)據(jù) 輸入 或接受數(shù)據(jù) 輸出 時 它發(fā)出DMA請求 由DMA控制器向CPU發(fā)出總線使用權(quán)的請求 HOLD 下頁圖示出了停止CPU訪內(nèi)方式的DMA傳送數(shù)據(jù)的流程圖 當(dāng)外圍設(shè)備發(fā)出DMA請求時 CPU在本機(jī)器周期執(zhí)行結(jié)束后響應(yīng)該請求 并使CPU的總線驅(qū)動器處于第二態(tài) 高阻狀態(tài) 之后 CPU與系統(tǒng)總線相脫離 而DMA控制器接管數(shù)據(jù)總線與地址總線的控制 并向內(nèi)存提供地址 于是 在內(nèi)存和外圍設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 每交換一個字 則地址計數(shù)器和字計數(shù)器加 l 當(dāng)計數(shù)值到達(dá)零時 DMA操作結(jié)束 DMA控制器向CPU提出中斷報告 DMA的數(shù)據(jù)傳送是以數(shù)據(jù)塊為基本單位進(jìn)行的 因此 每次DMA控制器占用總線后 無論是數(shù)據(jù)輸入操作 還是輸出操作 都是通過循環(huán)來實現(xiàn)的 當(dāng)進(jìn)行輸入操作時 外圍設(shè)備的數(shù)據(jù) 一次一個字或一個字節(jié) 傳向內(nèi)存 當(dāng)進(jìn)行輸出操作時 內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳向外圍設(shè)備 后處理一旦DMA的中斷請求得到響應(yīng) CPU停止主程序的執(zhí)行 轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序做一些DMA的結(jié)束處理工作 這些工作包括校驗送入內(nèi)存的數(shù)據(jù)是否正確 決定繼續(xù)用DMA方式傳送下去 還是結(jié)束傳送 測試在傳送過程中是否發(fā)生了錯誤等等 基本DMA控制器與系統(tǒng)的連接方式 1 公用的DMA請求方式 2 獨立的DMA請求方式 這與中斷方式類似 四 選擇型和多路型DMA控制器前面介紹的是最簡單的DMA控制器 一個控制器只控制一個I O設(shè)備 實際中經(jīng)常采用的是選擇型DMA控制器和多路型DMA控制器 它們已經(jīng)被做成集成電路片子 1 選擇型DMA控制器下頁圖是選擇型DMA控制器的邏輯框圖 它在物理上可以連接多個設(shè)備 而在邏輯上只允許接 個設(shè)備 換句話說 在某一段時間內(nèi)只能為一個設(shè)備服務(wù) 選擇型DMA控制器工作原理與前面的簡單DMA控制器基本相同 除了前面講到的基本邏輯部件外 還有一個設(shè)備號寄存器 數(shù)據(jù)傳送是以數(shù)據(jù)塊為單位進(jìn)行的 在每個數(shù)據(jù)塊傳送之前的預(yù)置階段 除了用程序中I O指令給出數(shù)據(jù)塊的傳送個數(shù) 起始地址 操作命令外 還要給出所選擇的設(shè)備號 從預(yù)置開始 一直到這個數(shù)據(jù)塊傳送結(jié)束 DMA控制器只為所選設(shè)備服務(wù) 下 次預(yù)置再根據(jù)I O指令指出的設(shè)備號 為另 選擇的設(shè)備服務(wù) 顯然 選擇型DMA控制器相當(dāng)于一個邏輯開關(guān) 根據(jù)I O指令來控制此開關(guān)與某個設(shè)備連接 選擇型DMA控制器只增加少量硬件達(dá)到了為多個外圍設(shè)備服務(wù)的目的 它特別適合數(shù)據(jù)傳輸串很高以至接近內(nèi)存存取速度的設(shè)備 在很快地傳送完一個數(shù)據(jù)塊后 控制器又可為其他設(shè)備服務(wù) 2 多路型DMA控制器選擇型DMA控制器不適用于慢速設(shè)備 但是多路型DMA控制器卻適合于同時為多個慢速外圍設(shè)備服務(wù) 下頁圖 a 是鏈?zhǔn)蕉嗦沸虳MA控制器 而 b 是獨立請求方式多路型DMA控制器 多路型DMA不僅在物理上可以連接多個外圍設(shè)備 而且在邏輯上也允許這些外圍設(shè)備同時一工作 各設(shè)備以字節(jié)交叉方式通過DMA控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送 當(dāng)某個外圍設(shè)備請求DMA服務(wù)時 操作過程如下 1 DMA控制器接到設(shè)備發(fā)出的DMA請求時 將請求轉(zhuǎn)送到CPU 2 CPU在適當(dāng)?shù)臅r刻響應(yīng)DMA請求 若CPU不需要占用總線則繼續(xù)執(zhí)行指令 若CPU需要占用總線 則CPU進(jìn)入等待狀態(tài) 3 DMA控制器接到CPU的響應(yīng)信號后 進(jìn)行以下工作 對現(xiàn)有DMA請求中優(yōu)先權(quán)最高的請求給予DMA響應(yīng) 選擇相應(yīng)的地址寄存器的內(nèi)容驅(qū)動地址總線 根據(jù)所選設(shè)備操作寄存器的內(nèi)容 向總線發(fā)讀 寫信號 外圍設(shè)備向數(shù)據(jù)總線傳送數(shù)據(jù) 或從數(shù)據(jù)總線接收數(shù)據(jù) 每個字節(jié)傳送完畢后 DMA控制器使相應(yīng)的地址寄存器和長度寄存器加 1 或減 1 以上是一個DMA請求的過程 在一批數(shù)據(jù)傳送過程中 要多次重復(fù)上述過程 直到外圍設(shè)備表示一個數(shù)據(jù)塊已傳送完畢 或該設(shè)備的長度控制器判定傳送長度已滿 例 如圖所示為8237DMA的組成示意圖根據(jù)圖中所示 請簡單分析其與外設(shè) 如軟盤 工作過程原理 解 CPU和外設(shè) 如軟盤 控制器之間的接口電路包括DMA控制和總線控制兩部分 DMA地址寄存器存放被尋址的主存首地址 字節(jié)計數(shù)寄存器存放本次DMA傳送的字節(jié)數(shù) 操作方式寄存器中包含工作方式 讀 寫 校驗 等信息 狀態(tài)寄存器 DMA傳輸前 CPU對8237進(jìn)行初始化 將數(shù)據(jù)在主存中的起始地址 數(shù)據(jù)字節(jié)個數(shù) 工作方式等參數(shù)送入8237相應(yīng)的寄存器中 然后才允許外設(shè)控制器向8237發(fā)出DMA傳輸請求信號DRQ 8237接收到 DRQ信號后 立即發(fā)HRQ信號給總數(shù)控制線路 請求總線控制權(quán) CPU在識別到HRQ信號 完成當(dāng)前總線周期后 發(fā)出HLDA響應(yīng)信號 并放棄總線控制權(quán) 此時8237向軟盤控制器發(fā)出DACK回答信號 通知軟盤控制器開始DMA傳輸 并發(fā)出讀 寫控制信號 MEMR MEMW IOR IOW 以便軟盤控制器從主存被尋址的單元讀取一個字節(jié)或