第五章-输入输出系统02-DMA工作方式

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1、5.5 DMA方式,5.5.1 DMA的基本概念 5.5.2 DMA的工作过程 5.5.3 DMA的传送方式 5.5.4 DMA方式的接口,主存,CPU,系统总线,DMA接口,高速I/O设备,DMA接口,高速I/O设备,程序中断方式：CPU与慢速外设之间采用的数据传输方式。 1）对比程序查询方式，极大地提高了CPU的利用率； 2）使CPU具有了处理突发事件的能力。 但是当外设速度接近一条指令的处理速度时，CPU的利用率又会降低。 因为：CPU每执行一次中断服务子程序，读写一次数据，都必须要执 行：保护现场和恢复现场操作，以及开中断和关中断操作， 过度频繁的执行，势必降低了CPU的利用率。 CP

2、U除了执行中断服务子程序之外，无太多时间处理其他事务。 （举例：小朋友吃糖特快，不嚼就咽了，不停的问老师要糖吃。） 更有甚者，当外设速度进一步提高，或者多台高速外设同时申 请中断时，还会造成数据丢失。 因此，必须寻求更快捷的输入输出方式：DMA。,5.5.1 DMA的基本概念,5.5.1 DMA的基本概念,DMA （Direct Memory Access） 直接存储器存取方式 DMA不象前两种方式那样，通过CPU执行外设的终端服务子程序， 和外设输入输出数据。 DMA方式不通过CPU，直接由DMA接口（硬件）控制外设与内存 之间的数据交换，输入时由外设（硬盘）直接写入内存，输出时 由内存直接

3、送至外设（硬盘）。 （DMA是一种完全由硬件执行的数据交换方式。） 由于，不再需要CPU执行中断服务子程序进行数据的输入输出，当然 也就不需要进行现场保护和现场恢复了，也不需要CPU反复地开中断、关中断了；使得输入输出数据花费时间更少，对CPU打扰也更少。,5.5.1 DMA的基本概念,DMA：CPU与外设之间的数据传输是并行工作方式。 DMA期间CPU不能访存，但可以继续进行其他内部操作。 DMA接口 从CPU那完全接管对总线的控制之后，不经过CPU， 直接在内存和I/O设备之间进行数据交换。 DMA接口 将向内存发出地址和控制信号，数据传输完毕后， 以中断方式向CPU报告传送操作结束。,主

4、存,CPU,系统总线,DMA接口,高速I/O设备,DMA接口,高速I/O设备,DMA 和中断两种方式的数据通路 DMA与中断方式相比，数据传送速度高，需要更多硬件支持。,主 存,寄存器,中断接口,DMA 接口,I/O 设 备,中断方式数据传输通路,输入数据,输出数据,DMA方式数据传输通路,5.5.1 DMA的基本概念,5.5 DMA方式,5.5.1 DMA的基本概念 5.5.2 DMA的工作过程 5.5.3 DMA的传送方式 5.5.4 DMA方式的接口,主存,CPU,系统总线,DMA接口,高速I/O设备,DMA接口,高速I/O设备,5.5.2 DMA的工作过程,DMA工作过程包括三个阶段：

5、 1）初始准备（中断初始化，DMA初始化）、 2）数据传输、 3）结束处理。,下面以硬磁盘的读操作为例，介绍DMA工作过程。,注意：在DMA方式中，一批数据传送前的准备工作，以及传送结束 后的处理工作，均有CPU参与完成； DMA接口完全负责数据传送的工作。,5.5.2 DMA的工作过程,1）预处理（中断初始化，DMA初始化） DMA接口开始工作之前，CPU先对它进行初始化工作，包括： 中断初始化： 由于DMA接口与内存之间数据传送结束后，DMA接口以中断 方式请求CPU对其进行后处理，所以要进行中断初始化工作。 包括：CPU送中断向量（设备号）给DMA接口设备地址寄存器 、 CPU设置其为允

6、许中断。 DMA初始化： CPU将硬盘数据的地址信息（柱面、盘面、扇区）送入 DAM接口磁盘地址寄存器， CPU将主存数据块的首地址送入DMA接口主存地址寄存器， CPU将传送数据块的长度送入DMA接口块长计数器， CPU将启动外设命令及传送方向（读/写内存）等控制信息送入 DMA接口命令/状态寄存器。,2）数据传送 DMA方式是以数据块为单位进行数据传送的。 硬盘启动后，先根据DAM接口磁盘地址寄存器的内容，完成磁盘寻址 工作，然后进入DMA数据传送阶段，该阶段又可再分为三步：,5.5.2 DMA的工作过程,第一步：DMA请求（小朋友吃完糖了） 当DMA接口数据传输已准备好： 此时，接口缓冲

7、寄存器已满（读硬盘时，硬盘已读数据到接口）， 或者，接口缓冲寄存器已空（写硬盘时，可从主存接收新数据）； DMA接口向CPU发出DMA请求信号HRQ，申请得到总线控制权。 第二步：DMA响应（小朋友喊着“我要去拿糖”） CPU接到DMA请求信号后，在当前内存存取周期结束后，将总线的 输出端置成高阻态（停止使用总线），并发回DMA应答信号HLDA，将总线控制权交给DMA接口。 注意：CPU对DMA请求的响应速度快，在每次内存存取周期结束后， 而中断响应必须等一条指令执行结束。 因为：1、DMA请求来自高速外设，必须尽快响应，以免丢失数据； 2、DMA方式不改变CPU的工作现场，无须保护现场， 当

8、然无需等到一条指令执行完毕。,5.5.2 DMA的工作过程,第三步：DMA接口访存（小朋友自己去拿糖） DMA接口接到CPU应答信号后（即接过总线控制权）， 将DMA接口主存地址寄存器的内容送地址总线， 将DMA接口命令/状态寄存器的读/写控制信号等送控制总线， 将DMA接口数据缓冲寄存器的内容送数据总线， 完成一次与主存单元的数据传送。 每次DMA传送后，DMA接口主存地址寄存器拨动一次（加或减）， DMA接口块长计数器自动减1，这两个寄存器都具有计数的功能。 每次DMA传送后，清除DMA请求信号，待磁盘寻找到数据逐位读入， DMA接口缓冲寄存器已满时，再次发出DMA请求信号； 如此重复进行

9、，直至完成整个数据块的传送。,5.5.2 DMA的工作过程,3）后处理 当数据块全部传完后，由DMA接口块长计数器=0时触发信号， DMA接口中的中断逻辑部件向CPU发出中断请求， CPU收到中断请求信号后，停止当前工作去执行中断服务子程序。 CPU中断处理内容： 测试在传送过程中，是否发生错误； 若继续传送，重新初始化，准备下一个数据块的传送； 若传送结束，向DMA接口发终止DMA操作命令。,5.5.2 DMA的工作过程,CPU,设置中断向量 清除屏蔽位 开中断,1）中断初始化,内存数据首地址 接口主存地址寄存器 磁盘数据首地址 接口磁盘地址寄存器 传送数据块长度 接口块长计数器 读/写及启

10、动命令 接口命令寄存器,2）DMA初始化,DMA接口,3）启动磁盘（硬件）,柱面找到？,扇面找到？,盘面找到？,4） 磁 盘 寻 址, DMA请求数据寄存器满,Y,N,N,N,CPU访存,当前内存周期结束DMA应答,读盘,DMA接口访存,读盘,DMA接口访存,CPU访存,中断应答,中断请求,一批数据读写完毕,中断向量,硬盘中断 服务程序,当前指令周期结束, DMA请求数据寄存器满,当前内存周期结束DMA应答,CPU访存,根据DMA的工作过程，DMA特点如下： （1）CPU对DMA接口的控制仅限于DMA的开始（接口参数设置 和设备启动）和结束（中断处理，）。 在整个DMA传送数据期间，均由DMA

11、接口直接控制与内存的 读写。因此，DMA方式对CPU打扰少，并行性好。 （2）CPU响应DMA请求只需暂停访问内存，让出总线使用权。 省去了中断方式中保护现场、恢复现场、开中断、关中断的 往复操作，打扰的时间仅为一次内存存取周期，节省了CPU 的大量时间，提高了CPU的利用率。,5.5.2 DMA的工作过程,（3）DMA方式主要是靠硬件实现内存与外设之间的数据传送，因此 DMA接口中除一般接口应有的数据寄存器、命令状态寄存器、 译码器及其他控制线路外，还应有主存地址寄存器和块长寄存器、 磁盘地址寄存器及DMA请求线路。 这些硬件提高了数据传输的速度，同时增加了接口复杂度。 （4）CPU响应DM

12、A请求是在当前内存存取周期结束之后，而响应中断 是当前指令周期结束之后，CPU对DMA响应更及时，更快捷。 （5）在DMA方式中存在着CPU与DMA接口之间内存访问权（对单端口 的存储器）的频繁转换。 （6）DMA方式只能进行数据传送，功能单一； 而中断方式，可以通过中断服务子程序的设计实现各种复杂功能。,5.5.2 DMA的工作过程,5.5 DMA方式,5.5.1 DMA的基本概念 5.5.2 DMA的工作过程 5.5.3 DMA的传送方式 5.5.4 DMA方式的接口,主存,CPU,系统总线,DMA接口,高速I/O设备,DMA接口,高速I/O设备,DMA方式的工作过程实质上是DMA接口与C

13、PU交替访存的过程。 根据DMA接口与CPU访存的时间不同，可分为以下三种传送方式： 1、周期挪用方式 若没有DMA请求，CPU正常工作， 若DMA接口发出DMA请求，CPU让出一个或几个存取周期 给DMA接口访问内存。 若CPU正处于内部处理（比如乘、除指令的执行阶段）无需访存， DMA传送占用内存不对CPU产生任何打扰； 若CPU正处于访问内存（比如取指令、取操作数、或将运算结果 写入内存等），这时就有了争访内存的问题，为了不丢失数据必 让DMA优先。这时DMA接口挪用的存取周期就对CPU的工作构 成影响，相当于把CPU的工作往后推了一个或几个存取周期。,5.5.3 DMA的传送方式,为了

14、减少这种争访内存的冲突，某些机器采用了指令预取技术， 即：当没有DMA请求时，CPU预先把即将执行的指令取到内部的 指令队列中，充分利用内存空闲时间，降低争访内存几率。 周期挪用方式在保证DMA传送的前提下，又较好的发挥了CPU与主存 的效率，因而得到广泛应用。 缺点：每一次DMA传送都伴随着一次DMA请求，DMA响应和两次内 存访问权的转换（先由CPU转给DMA接口，后由DMA接口归 还给CPU），这种频繁往复操作也会使系统效率下降。,5.5.3 DMA的传送方式,2、暂停CPU访问主存 由于周期挪用方式中内存访问权转换过于频繁，自然想到通过 增加DMA接口中数据寄存器的容量，改为一个小容量

15、的RAM 存储器作为数据缓冲区，待RAM满（输入）或空（输出）， 发一次DMA请求，取得内存访问权后进行批量数据传送。 这种方式明显地减少了CPU与DMA接口之间内存访问权的转换， 但在DMA接口连续访问内存期间，CPU无法访问内存，因而处 于停止状态，不利于提高CPU的利用率。,5.5.3 DMA的传送方式,3、DMA与CPU交替访存（比较合理） 分时管理内存的使用时间，让两者交替互不冲突访问主存。 例如：规定CPU在第1、3、5、7存取周期时访存， DMA接口在第2、4、6、8存取周期时访存。 这种方式不但解决了CPU和DMA接口争访内存的矛盾，而且免去了每次 DMA传送所必须的DMA请求

16、，DMA响应以及内存使用权的交接。 缺点：对CPU而言，感觉内存存取周期长了一倍，在需要连续访存时， 它必须等待双倍的时间，不利于提高CPU的效率。,5.5 DMA方式,5.5.1 DMA的基本概念 5.5.2 DMA的工作过程 5.5.3 DMA的传送方式 5.5.4 DMA方式的接口,主存,CPU,系统总线,DMA接口,高速I/O设备,DMA接口,高速I/O设备,DMA 接口功能,（1）向CPU发出DMA申请；,（2）处理总线控制权的转交；,（3）管理系统总线、控制数据传送；,（4）确定数据传送的首地址和长度；,（5）DMA传送结束时，向CPU发出中断申请。,修正传送过程中的数据地址和长度；,5.5.4 DMA方式的接口接口组成,在程序查询和程序中断方式中，外设与主存之间的数据传