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(shè)之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，不需要CPU的程序干預(yù)。通過專門的硬件裝置——DMA控制器（DMAC）來進(jìn)行控制，并借用系統(tǒng)總線作為信息的傳送通道。除事先設(shè)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(yù)。在微機(jī)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(shè)備（I/O設(shè)備），CPU可以對它進(jìn)行I/O讀和I/O寫；在DMAC接管總線時，它是總線的主控設(shè)備，通過系統(tǒng)總線來控制存儲器和外設(shè)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。2一、基本概念DMA的適用場合高速外設(shè)（當(dāng)外設(shè)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(shè)備的接口用于網(wǎng)絡(luò)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(dāng)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(yùn)行。也稱單字傳送方式。適用：主存儲器工作速度高出I/O設(shè)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(wù)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(dāng)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(shè)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(shè)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(jì)數(shù)器設(shè)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(fù)責(zé)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(jì)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(shè)備數(shù)據(jù)地址寄存器…外設(shè)-11中斷向量ABDB中斷請求中斷應(yīng)答DMA請求DMA應(yīng)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(shè)置中斷向量，允許中斷等）對DMA接口設(shè)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(shè)地址啟動命令及傳送方向設(shè)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(shè)數(shù)據(jù)地址=>接口外設(shè)地址寄存器數(shù)據(jù)塊長度=>接口塊長計(jì)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(dāng)輸入數(shù)據(jù)已準(zhǔn)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(yīng)

CPU接到DMA請求，在當(dāng)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(yīng)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(yīng)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(zhǔn)備好下一批時，再發(fā)DMA請求信號。重復(fù)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(yīng)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(dāng)前內(nèi)存周期結(jié)束DMA應(yīng)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(dāng)前內(nèi)存周期結(jié)束DMA應(yīng)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(jìn)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(diǎn)(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(yù)DMA傳送無需程序切換、程序控制；DMA方式主要是靠硬件來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送；CPU響應(yīng)DMA請求在CPU周期結(jié)束后，而響應(yīng)中斷是在當(dāng)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(shí)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(diǎn)：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(wù)；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(shè)不太多的小型機(jī)、微型機(jī)。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(fù)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(shè)。與DMA相比都能在I/O設(shè)備和主存之間建立數(shù)據(jù)直傳通路；DMA只能實(shí)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(qiáng)的獨(dú)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(shè)備，而一個通道可以同時控制多臺同類或不同類設(shè)備。通道是在一定的硬件基礎(chǔ)上利用軟件手段實(shí)現(xiàn)對I/O的控制和傳送。16CPU主機(jī)主存儲器通道通道設(shè)備控制器設(shè)備控制器設(shè)備控制器設(shè)備控制器外設(shè)外設(shè)…外設(shè)外設(shè)…外設(shè)外設(shè)…外設(shè)外設(shè)…典型具有通道的計(jì)算機(jī)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(shè)。從主存中取出相應(yīng)通道程序執(zhí)行，向設(shè)備控制器發(fā)送各種命令。控制外設(shè)和主存間的數(shù)據(jù)交換，根據(jù)需要進(jìn)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(shè)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(shè)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(shè)，如鍵盤、打印機(jī)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(shè)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(shè)，但一次只選擇一臺設(shè)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(shè)備。數(shù)據(jù)傳輸率等于所連接外設(shè)中速度最高的外設(shè)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(diǎn)，可連接多臺高速設(shè)備，允許幾臺設(shè)備并行工作，以成組交叉方式傳送。每個外設(shè)都有數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。最大傳輸率為所連外設(shè)中傳輸率最大的一個。21具有三種通道的計(jì)算機(jī)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(shè)備控制器低速設(shè)備設(shè)備控制器中速設(shè)備設(shè)備控制器高速設(shè)備設(shè)備控制器高速設(shè)備設(shè)備控制器高速設(shè)備設(shè)備控制器高速設(shè)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