计算机组成原理第8章(8.4,8.5,姜,18-春,版5)

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优点：一种高效的工作方式。适用于CPU工作周 期远大于内存存储周期的情况。
缺点：硬件逻辑结构复杂。
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三、基本的DMA控制器
DMA控制器是采用DMA方式的外围设备与系统 总线之间的接口电路。
可以在中断接口的基础上再加上DMA机构组成。
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1. DMA控制器的基本组成
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修改内存地址计数器和字计 数器、控制传送类型、协调等；
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DMA传送数据的流程图
DMA控制器接管 总线后即开始数据 传送； 以数据块为基本单 位的DMA传送是通 过循环来实现的； 传送结束时， DMA控制器向CPU 提出中断报告。
21பைடு நூலகம்
③ 传送后处理 一旦DMA的中断请求得到响应，CPU停止主
程序的执行，转去执行中断服务程序做一些DMA 的结束处理工作。
(5)“控制/状态”逻辑 用于修改内存地址计数器和字计数器， 指定传送类型(输入或输出)，并对“DMA请求”信号和 CPU响应信号进行协调和同步。
(6)中断机构 当字计数器溢出时(全0)，意味着一组数据交换 完毕，由溢出信号触发中断机构，向CPU提出中断报告。
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2. DMA数据传送过程
DMA的传送可分为三个阶段：传送前预处理、
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各部件主要功能：
(1)内存地址计数器 用于存放内存中要交换的数据的地址。 在DMA传送前，通过程序将数据在内存中的首地址送到 内存地址计数器。传送时，每交换一次数据，将地址计 数器加“1”。
(2)字计数器 用于记录传送数据块的长度(字数)。其内容也 是在数据传送之前由程序预置，交换的字数通常以补码 形式表示，每传送一个字，字计数器就加“1” ，当计数 器溢出即最高位产生进位时，表示这批数据传送完毕。
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【解】 T1间隔中控制器首先为打印机服务，因为此时只有打印机有请求； T2间隔前沿磁盘、磁带同时有请求，首先为优先权高的磁盘服务，然后
为磁带服务，每次服务传送一个字节。 在120μs时间阶段中，为打印机服务只有一次(T1)，为磁盘服务四次(T2，
T4，T6，T7)，为磁带服务三次(T3，T5，T8)。 从图上看到，在这种情况下DMA尚有空闲时间，说明控制器还可以容纳
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② 正式传送 当外设准备好发送数据(输入)或接受数据(输出)
时，发出DMA请求，由DMA控制器向CPU发出 总线使用权的请求(HOLD)。 DMA数据传送可以以数据块为基本单位,也可以 以字节（或字）为基本单位。 下图示出了停止CPU访内方式的DMA传送数据 的流程图。 （以数据块为基本单位）
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1. 停止CPU访问内存
DMA控制器发出请求信号给CPU，要求CPU放弃对总 线的使用权。DMA控制器获得总线控制权后，开始进 行数据传送。在一批数据传送完毕后，DMA控制器通 知CPU可以使用内存，并把总线控制权交还给CPU。
时间图如下：
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优点：控制简单。适用于数据传输率很高的设备 进行成组传送。
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从外围设备得到设备的状态信息，形成并保存通道本 身的状态信息，根据要求将这些状态信息送到内存的 指定单元，供CPU使用。
将外围设备的中断请求和通道本身的中断请求，按次 序及时报告CPU。
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3. CPU对通道的管理
CPU通过执行I/O指令以及处理来自通道的中断，实 现对通道的管理。
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② CPU响应请求，把CPU工作改为DMA操作方式，DMA 控制器从CPU处接管对总线的控制；
③ 由DMA控制器对内存寻址，即确定传送数据的内存单 元地址及传送长度，并执行数据传送的操作；
④ 向CPU报告DMA操作的结束。
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二、DMA传送方式
DMA控制器与CPU通常采用以下三种方法 分时使用内存： ① 停止CPU访问内存 ② 周期挪用 ③ DMA与CPU交替访内
两种情况：①CPU此时无需访内，则对CPU执行程序无
影响。②有DMA请求时，CPU也要求访内，则DMA优先，
因此CPU延缓了对指令的执行。
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优点：较好地发挥了内存和CPU的效率。适用于 设备读写周期大于内存存储周期的情况。是广泛 采用的一种方法。
注：CPU对每次DMA的响应时间可以发生在每 个机器周期结束时。
② ③ 将各种外围设备的不同信号转换成通道能够识别的标准
信号。
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二、通道的类型
1. 选择通道 又称高速通道，在物理上可以连接多个设备，
但是这些设备不能同时工作，在某一段时间内 通道只能选择一个设备进行工作。当该设备的 通道程序全部执行完后，方可执行其它设备的 通道程序。 选择通道主要用于连接高速外围设备，如磁盘、 磁带等，信息以成组方式高速传输。
这些工作包括校验送入内存的数据是否正确； 决定继续用DMA方式传送下去，还是结束传送； 测试在传送过程中是否发生了错误等等。
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四、选择型和多路型DMA控制器
1. 选择型DMA控制器
比较
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主要特点： ① 物理上可以连接多个设备，而逻辑上只允许一
个设备，即某一段时间内只能为一个设备服务； ② 结构与前述DMA控制器基本相同。不同之处：
DMA：Direct Memory Access 直接内存访问 DMA方式是一种数据交换过程完全由硬件
（DMA控制器）控制实现的外设与内存直接交换 信息的工作方式。
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1. DMA方式的特点
“程序中断”方式的 I/O数据交换的任务是通过CPU执 行中断服务程序完成的。
DMA方式，是在外设和主存之间开辟一条“直接数据 通道”，在不需要CPU干预，也不需要软件介入的情况 下在两者之间进行的高速数据传送方式。
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2. 数组多路通道
(1) 基本思想： 当某设备进行数据传送时，通道只为该设备服务；
当设备在执行寻址等控制性动作时，通道暂时断开与这 个设备的连接，挂起该设备的通道程序，去为其他设备 服务，即执行其他设备的通道程序。
(2) “子通道”的概念 子通道是指实现某个通道程序所对应的硬设备。 选择通道只包含一个子通道，数组多路通道和字节多路
更多设备。
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【例6】
即每秒含有50M 个时钟周期
【解】若每次传送32位，则每秒传送次数=1MB/32=2.5×105 （次） （1）100×2.5×105 /50M=0.5=50% （2）100×2.5×105 /50M=0.5=50% （3）每秒传送次数= 1MB/4KB=250（次）
（1000+500）×250 /50M=0.0075=0.75%
(3)数据缓冲寄存器 用于暂存每次传送的数据(一个字)。
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(4)“DMA请求”标志触发器 设备每准备好一个数据字或一 个数据块后，将其置“1”，则其向“控制/状态”逻辑发 出DMA请求，后者又向CPU发出总线使用权的请求 (HOLD)，CPU响应此请求后发回响应信号HLDA，“控 制/状态”逻辑接收此信号后发出DMA响应信号，使 “DMA请求”标志复位，为交换下一个字做好准备。
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3. DMA与CPU交替访内—“透明的DMA方式”
当CPU的工作周期比内存存取周期长很多，可采用这种 方法。
例：假设CPU工作周期为 1.2μs，内存存取周期小于 0.6μs，则一个CPU周期可分为C1和C2两个分周期， C1=0.6μs， C2=0.6μs。其中C1供DMA控制器访内，C2专 供CPU访内。
4. 通道对设备控制器的管理
通道通过使用通道指令来控制设备控制器进行数据传送 操作，并以通道状态字（存放在通道状态寄存器中）接 收设备控制器反映的外围设备的状态。故，设备控制器 是通道对I/O设备实现传输控制的执行机构。
设备控制器的具体任务如下： ① 从通道接受通道指令，控制外围设备完成所要求的操作；
在DMA方式中，对数据传送过程进行控制的硬件称为 “DMA控制器”。当外设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。故，其数据传输过程是由硬件电路直接实现的。
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DMA方式的主要优点：速度快。
① 因CPU不参加传送操作，故无须取指令、取数、送 数等操作。
② 在数据传送过程中，没有保存现场、恢复现场等工 作。
③ 内存地址修改、传送字个数的计数等，亦非由软件 实现，而是用硬件线路直接实现。 因此，DMA方式能满足高速I/O设备的要求，亦有
利于CPU效率的发挥。
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2. DMA控制器的功能
DMA控制器种类繁多，一般至少能执行下述基本
操作：
① 接受外围设备发出的DMA请求，并向CPU发出总线请 求；
多一个设备号寄存器； ③ 适合数据传输率很高的设备。
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2. 多路型DMA控制器 主要特点： ① 在物理上和逻辑上均可连接多个外设； ② 逻辑结构上与选择型DMA控制器的不同之处：
有多个内存地址寄存器和字长寄存器； ③ 适合于同时为多个慢速设备服务，各设备以字
节交叉方式通过DMA控制器进行数据传送。 例，微型机中常用的8237DMA控制器和
正式传送、传送后处理。
① 传送前预处理
通过执行 指令实现
传送前必须做的准备工作，由CPU完成。
CPU执行几条输入输出指令，测试设备状态，向 DMA控制器的设备地址寄存器中送入设备号并启动 设备，向内存地址计数器中送入起始地址，向字计 数器中送入交换的数据字个数。在这些工作完成后， CPU继续执行原来的主程序。
通道包含若干个子通道。
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3. 字节多路通道 字节多路通道主要用于连接大量的低速设备，如
键盘、打印机等。 在一段时间内能交替执行多个设备的通道程序，
使这些设备同时工作。 通道在传送两个字节之间有很多空闲时间，字节
多路通道正是利用此空闲时间为其他设备服务。