第五章-输入输出系统02-DMA工作方式

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 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
系统总线 DMA接口 DMA接口 高速I/O设备
CPU
主存
高速I/O设备
5.5.1 DMA的基本概念
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。
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DMA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 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
5.5.3 DMA的传送方式
为了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。
CPU
主存
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：
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。
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。 主存工作时间
CPU控制 并使用主存 DMA控制 并使用主存 DMA不工作 CPU不执行程序 DMA不工作
t
DMA工作
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，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。 主存工作时间 DMA控制 并使用主存 CPU控制 并使用主存 t
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，直至完成整个数据块的传送。
5.5.2 DMA的工作过程
盘面找到？ ← DMA请求←数据寄存器满 Y 读盘
当前内存周期结束→DMA应答→ CPU访存
← DMA请求←数据寄存器满 当前内存周期结束→DMA应答→ CPU访存 硬盘中断 服务程序 ←中断请求 中断应答→
DMA接口访存 读盘 DMA接口访存 一批数据读写完毕
←中断向量
当前指令周期结束
5.5.2 DMA的工作过程
——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。
5.5.2 DMA的工作过程
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。
CPU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。
主存工作时间
CPU控制 并使用主存
t
DMA控制 并使用主存
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。
系统总线 DMA接口 DMA接口 高速I/O设备
CPU
主存
高速I/O设备
5.5.3 DMA的传送方式
DMA方式的工作过程实质上是DMA接口与CPU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。
CPU 设置中断向量 清除屏蔽位 开中断 1）中断初始化
DMA接口
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/写及启动命令 → 接口命令寄存器
2）DMA初始化
3）启动磁盘（硬件） 柱面找到？ 扇面找到？
N
N N
CPU访存
4） 磁 盘 寻 址
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
系统总线 DMA接口 CPU 主存 高速I/O设备 DMA接口 高速I/O设备
5.5.1 DMA的基本概念
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。
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。
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。
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
系统总线 DMA接口 DMA接口 高速I/O设备
CPU
主存
高速I/O设备
5.5.4 DMA方式的接口——接口组成
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；
5.5.2 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。
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。