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（DMA）方式是在外設(shè)和主存之間開闢一條“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行的高速數(shù)據(jù)傳送方式。在DMA傳送方式中，對數(shù)據(jù)傳送過程進行控制的硬體稱為DMA控制器。當外設(shè)需要進行數(shù)據(jù)傳送時，通過DMA控制器向CPU提出DMA傳送請求，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行數(shù)據(jù)傳送。DMA方式的基本概念DMA方式具有下列特點：

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

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

(3)主存中要開闢專用緩衝區(qū)，及時供給和接收外設(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在傳送開始前要通過程式進行預(yù)處理，結(jié)束後要通過中斷方式進行後處理。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，需要保護和恢復(fù)現(xiàn)場；而DMA方式除了開始和結(jié)尾時，不佔用CPU的任何資源。

(2)對中斷請求的回應(yīng)時間只能發(fā)生在每條指令執(zhí)行完畢時；而對DMA請求的回應(yīng)時間可以發(fā)生在每個機器週期結(jié)束時。DMA方式的基本概念

(3)中斷傳送過程需要CPU的干預(yù)；而DMA傳送過程不需要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請求的優(yōu)先順序高於中斷請求。

(5)中斷方式具有對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介面相對於查詢式介面和中斷式介面來說比較複雜，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的主存控制信號被禁止使用。而當DMA傳送結(jié)束後，將恢復(fù)CPU的一切權(quán)力並開始執(zhí)行其操作。由此可見，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，接收或發(fā)出控制信號，輸入或輸出數(shù)據(jù)信號。DMA介面簡單的DMA控制器框圖DMA介面

DMA控制器主要由以下幾部分組成：

?主存地址計數(shù)器

?傳送長度計數(shù)器

?數(shù)據(jù)緩衝寄存器

?DMA請求觸發(fā)器

?控制/狀態(tài)邏輯

?中斷機構(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)，可對主存進行地址選擇；在CPU方式下，呈輸入狀態(tài)，可對DMA控制器中的有關(guān)寄存器進行尋址。

(2)數(shù)據(jù)匯流排

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

(3)控制數(shù)據(jù)傳送方式的信號線。

記憶體讀信號、記憶體寫信號、外設(shè)讀信號和外設(shè)寫信號。

(4)DMA控制器與外設(shè)之間的聯(lián)絡(luò)信號線

DMA請求信號和DMA回應(yīng)信號。

(5)DMA控制器與CPU之間的聯(lián)絡(luò)信號線

匯流排請求信號和匯流排回應(yīng)信號。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)將一個數(shù)據(jù)塊寫入主存的操作為例，簡述DMA控制器的操作過程。

①由外設(shè)向DMA控制器發(fā)出DMA請求信號。

②DMA控制器向CPU發(fā)出匯流排請求信號。

③CPU向DMA控制器發(fā)出匯流排回應(yīng)信號，此時，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，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數(shù)器的內(nèi)容發(fā)出地址信號作為主存地址的選擇，同時主存地址計數(shù)器的內(nèi)容加1。DMA介面

⑥D(zhuǎn)MA控制器發(fā)出

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

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

⑦傳送長度計數(shù)器減1。

重複⑤~⑦步驟，直到位元組計數(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，匯流排控制權(quán)交還CPU。DMA介面DMA控制器的操作過程動畫DMA傳送方法DMA控制器與CPU通常採用CPU停止訪問主存法、記憶體分時法和週期挪用法等3種方法使用主存。DMA傳送方法

CPU停止訪問主存法是用DMA請求信號迫使CPU讓出匯流排控制權(quán)。CPU在現(xiàn)行機器週期執(zhí)行完成之後，使其數(shù)據(jù)、地址匯流排處於三態(tài)，並輸出匯流排批準信號。每次DMA請求獲得批準，DMA控制器獲得匯流排控制權(quán)以後，連續(xù)佔用若干個存取週期（匯流排週期）進行成組連續(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

記憶體分時法把原來的一個存取週期分成兩個時間片，一片分給CPU，一片分給DMA，使CPU和DMA交替地訪問主存。這種方法無須申請和歸還匯流排，使匯流排控制權(quán)的轉(zhuǎn)移幾乎不需要什麼時間，但這種方法需要主存在原來的存取週期內(nèi)為兩個部件服務(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使用的時間片可能成為空操作，將會造成一些不必要的浪費。DMA傳送方法

週期挪用法是前兩種方法的折衷。當外設(shè)沒有DMA請求時，CPU按程式要求訪問主存；一旦外設(shè)有DMA請求並獲得CPU批準後，CPU讓出一個週期的匯流排控制權(quán)，由DMA控制器控制系統(tǒng)匯流排，挪用一個存取週期進行一次數(shù)據(jù)傳送，傳送一個位元組或一個字；然後，DMA控制器將匯流排控制權(quán)交回CPU，CPU繼續(xù)進行自己的操作，等待下一個DMA請求的到來。重複上述過程，直至數(shù)據(jù)塊傳送完畢。DMA傳送過程

DMA的傳送過程可分為3個階段：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傳送過程

DMA預(yù)處理是在DMA傳送之前必須要做準備工作，即初始化。CPU首先執(zhí)行幾條I/O指令，用於測試外設(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)行原來的程式，在外設(shè)準備好發(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，外設(shè)向DMA控制器發(fā)DMA請求，再由DMA控制器向CPU發(fā)匯流排請求。DMA傳送過程

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。對於以數(shù)據(jù)塊為單位的傳送，DMA控制器佔用匯流排後的數(shù)據(jù)