DMA方式

DMA方式是一种完全由硬件进行组信息传送的控制方式。具有程序中断方式的优点,即在数据准备阶段,CPU与外设并行工作。DMA方式在外设与内存之间开辟一条“直接数据通路”,信息传送不再经过CPU,降低了CPU在传送数据时的开销,因此称为直接存储器存取方式,由于数据传送不再经过CPU,也就不需要保护、恢复CPU现场等繁琐操作。

这种方式适用于磁盘机、磁带机等高速设备大批量数据的传送,它的硬件开销比较大,在DMA方式中,中断的作用仅限于故障和正常传送结束时的处理。

 1.DMA方式的特点

主存和DMA接口之间有一条直接数据通路。由于DMA方式传送数据不需要经过CPU,因此不必中断现行程序,I/O与主机并行工作,程序和传送并行工作。

DMA方式具有下列特点: ①它使主存与CPU的固定联系脱钩,主存既可被CPU访问,又可被外存访问。

②在数据块传送时,主存地址的确定、传送数据的计数等由硬件电路直接实现。

③主存中要开辟专用缓冲区,及时供给和接受外设的数据。

④DMA传送数据块,CPU和外设并行工作,提高了系统效率。

⑤DMA在传送开始前要通过程序进行预处理,结束后要通过中断方式进行后处理。

2.DMA控制器的组成

对数据传送过程中进行控制的硬件称为DMA控制器(DMA接口)。当I/O设备需要进行数据传送时,通过DMA控制器向CPU提出DMA传送请求,CPU响应之后让出系统总线,由DMA控制器接管总线进行数据传送。

1)接受外设发出的DMA请求,并向CPU发出总线请求。

2)CPU响应总线请求,发出总线响应信号,接管总线控制权,进入DMA操作周期。

3)确定传送数据的主存单元地址及长度,并能自动修改主存地址计数和传送长度计数。

4)规定数据在主存和外设间的传送方向,发出读写等控制信号,执行数据传送操作。

5)向CPU发送DMA操作的结束。

主存地址计数器:存放要交换数据的主存地址。

传送长度计数器:用来记录传送数据的长度。计数溢出时,数据即传送完毕,自动发出中断请求信号。

数据缓冲寄存器:用于暂存每次传送的数据。

DMA请求触发器:每当I/O设备准备好数据后给出一个控制信号,使DMA请求触发器置位。

“控制/状态”逻辑:由控制和时序电路及状态标志组成,用于指定传动方向,修改传送参数,并对DMA请求信号和CPU响应信号进行协调和同步。

中断机构:当一个数据块传送完毕后触发中断机构,向CPU提出中断请求。

在DMA传送过程中,DMA控制器将接管CPU的地址总线、数据总线和控制总线,CPU的主存控制信号被禁止使用。而当DMA传送结束后,将恢复CPU的一切权利并开始执行其操作。由此可见,DMA控制器必须具有控制系统总线的能力

3.DMA的传送方式

主存和DMA控制器之间有一条数据通路,因此主存和I/O设备之间交换信息时。不通过CPU。但当I/O设备和CPU同时访问主存时,可能发生冲突,为了有效地使用主存,DMA控制器与CPU通常外用以下三种方式使用主存: (1)停止CPU访问主存

这种方式是当外设需要传送组数据时,由DMA接口向CPU发送一个信号,要求CPU放弃地址线、数据线和有关控制线的使用权,DMA接口获得总线控制权后,开始进行数据传送,在数据传送结束后,DMA接口通知CPU可以使用主存,并把总线控制权交还给CPU。这种传送过程中,CPU基本处于不工作状态和保持原状态。

(2)DMA与CPU交替访存

这种方式适用于CPU的工作周期比主存存取周期长的情况。例如,CPU的工作周期是1.2us,主存的存取周期小于0.6us,那么可将一个CPU周期分为C1和C2两个周期。其中C1专供DMA访存,C2专供CPU访存。这种方式不需要总线使用权的申请、建立和归还过程,总线使用权是通过C1和C2分时控制的。

(3)周期挪用

这种方式是前两种方式的折中,当I/O设备没有DMA请求时,CPU按程序的要求访问主存,一旦I/O设备有了DMA请求,会遇到3种情况。第一种是此时CPU不在访存(如CPU正在执行乘法指令),故I/O的访存请求与CPU未发生冲突;第2种是CPU正在访存,则必须等待存取周期结束后,CPU再将总线占有权让出。第3种是I/O和CPU同时请求访存,出现了访存冲突,此时CPU要暂时放弃总线占用权,由I/O设备挪用一个或几个存取周期。

4.DMA的传送过程

DMA的数据传送分为预处理、数据传送和后处理3个阶段。

(1)预处理

由CPU完成一些必要的准备工作。首先,CPU执行几条I/O指令,用以测试I/O设备状态,向DMA控制器的有关寄存器置初值,设置传送方向、启动该设备等。然后,CPU继续执行原来的程序,直到I/O设备准备好发送的数据(输入情况)或接受的数据(输出情况)时,I/O设备向DMA控制器发送DMA请求,再由DMA控制器向CPU发送总线请求(有时将这两个过程统称为DMA请求),用以传输数据。

(2)数据传送

DMA的数据传输可以以单字节(或字)为基本单位,对于以数据块为单位的传送(如硬盘),DMA占用总线后的数据输入和输出操作都是通过循环来实现的。需要指出的是,这一循环也是由DMA控制器(而不是通过CPU执行程序)实现的,也就是说,数据传送阶段是完全由DMA(硬件)来控制的。

(3)后处理

DMA控制器向CPU发送中断请求,CPU执行中断服务程序做DMA结束处理,包括检验送入主存的数据是否正确,测试传送过程中是否出错(错误则转入诊断程序)和决定是否继续使用DMA传送其他数据块等。

5.DMA方式和中断方式的区别

DMA方式和中断方式的重要区别: ①中断方式是程序的切换,需要保护和恢复现场,而DMA方式除了预处理和后处理,其他时候不占用CPU的任何资源。

②对中断请求的响应只能发生在每条指令执行完毕时(即指令的执行周期之后),而对DMA请求的响应可以发生在每个机器周期的结束时(在取值周期,间址周期,执行周期之后均可),只要CPU不占用总线就可以被响应。

③中断传输过程需要CPU的干预;而DMA传输过程不需要CPU的干预,故数据传输速率非常高,适合高速外设的成组数据传送。

④DMA请求的优先级高于中断请求。

⑤中断方式具有对异常事件的处理能力,而DMA方式仅局限于传输数据块的I/O操作。

⑥从数据传送来看,中断方式靠程序传送,DMA方式靠硬件传送。

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