计算机组成原理第八章第4讲DMA方式
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DMA方式_百度百科DMA方式[1]锁定[2]编辑本词条缺少名片图，补充相关内容使词条更完整，还能快速升级，赶紧来编辑吧！DMA方式，Direct Memory Access，也称为成组数据传送[3]方式，有时也称为直接内存操作。
中文名直接内存操作外文名Direct Memory Access常见芯片Intel 8237ADMA方式工作原理[4]编辑DMA方式原理一个设备接口试图通过总线直接向另一个设备发送数据(一般是大批量的数据)，[5][6]发送DMA请求信号。
外设通过DMA的一种专门接口电路――DMA控制器（DMAC），向CPU提出接管它会先向CPU[7]结束后，会按DMA信号的优先级和提出DMA请求的总线控制权的总线请求，CPU收到该信号后，在当前的总线周期先后顺序响应DMA信号。
CPU对某个设备接口响应DMA请求时，会让出总线控制权。
于是在DMA控制器的管理下，外[8]直接进行数据交换，而不需CPU干预。
数据传送[9]完毕后，设备接口会向CPU发送DMA结束信号，交还设和存储器总线控制权。
DMA方式的主要优点是速度快。
由于CPU根本不参加传送操作，因此就省去了CPU取指令、取数、送数等操作。
在数据传送过程中，没有保存现场、恢[10]之类的工作。
内存地址[11]修改、传送字个数的计数等等，也不是由软件实现，而是用硬件线路直接实现复现场的。
所以DMA方式能满足高速I/O设备的要求，也有利于CPU效率的发挥。
DMA方式基本操作实现DMA传送的基本操作如下：1、外设可通过DMA控制器向CPU发出DMA请求；2、CPU响应DMA请求，系统转变为DMA工作方式，并把总线控制权交给DMA控制器；3、由DMA控制器发送存储器地址[12]，并决定传送数据块[13]的长度；4、执行DMA传送；5、DMA操作结束，并把总线控制权交还CPU。
DMA方式用途DMA方式主要适用于一些高速的I/O设备[14]。
这些设备传输字节或字的速度非常快。
计算机组成原理第八章第4讲DMA方式
例题：
例3下图中假设有磁盘、磁带、打印机三个设 备同时工作。磁盘以30μs的间隔向控制器发 DMA请求，磁带以45μs的间隔发DMA请求， 打印机以150μs间隔发DMA请求。根据传输速 率，磁盘优先权最高，磁带次之，打印机最 低，图中假设DMA控制器每完成一次DMA传 送所需的时间是5μs。若采用多路型DMA控制 器，请画出DMA控制器服务三个设备的工作 时间图。
优点：总线控制权的转移不需要时间， DMA传送高效
缺点：硬件逻辑实现复杂 适用于：CPU的工作周期比内存存取周期长
很多的情况。
计算机组成原理第八章第4讲DMA方式
8.4.3 基本DMA控制器
1、DMA基本构成 (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，须通过程序将数据在 内存中的起始位置(首地址)送到内存地址计数器。 而当DMA传送时，每交换一次数据，将地址计数 器加“1”，从而以增量方式给出内存中要交换的 一批数据的地址。
计算机组成原理第八章第4讲DMA方式
思考： 如果有多个设备提出DMA传送请求，该
怎么处置？ 来看8.4.4选择型、多路型DMA控制器
计算机组成原理第八章第4讲DMA方式
8.4.4选择型和多路型DMA控制器
1.选择型DMA控制器 选择型DMA控制器在物理上可以连接
多个设备，而在逻辑上只允许连接一个设 备。在某一段时间内只能为一个设备服务。
计算机组成原理第八章第4讲DMA方式
1、DMA基本构成
(3)数据缓冲寄存器 用于暂存每次传送的数据(一个 字)。当输入时，由设备(如磁盘)送往数据缓冲寄 存器，再由缓冲寄存器通过数据总线送到内存。 反之，输出时，由内存通过数据总线送到数据缓 冲寄存器，然后再送到设备。
7.4 DMA方式
河南科技大学输入输出系统07目 录CATALOG 输入输出系统概述程序查询方式程序中断方式DMA方式01020304DMA方式博学日新明德笃行u DMA方式的基本概念u DMA的三种工作方式u DMA接口的功能和组成u DMA的工作过程u DMA和中断的比较CPU 主存ACC中断接口DMA 接口I/O设备中断方式数据传送通路输入指令输出指令DMA方式数据传送通路直接内存访问(DMA)是一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式。
在这种方式中，DMA控制器从CPU完全接管对总线的控制，数据交换不经过CPU，而直接在内存和I/O设备之间进行 。
DMA方式一般用于高速传送成组数据。
DMA控制器将向内存发出地址和控制信号，修改地址，对传送的字的个数计数，并且以中断方式向CPU报告传送操作的结束。
DMA的三种工作方式（1）停止CPU访问内存（2）周期挪用（或周期窃取）（3）DMA 与 CPU 交替访问(1) 停止 CPU 访问主存控制简单CPU 处于不工作状态或保持状态未充分发挥 CPU 对主存的利用率主存工作时间CPU 不执行程序DMA 不工作DMA 不工作DMA 工作 CPU 控制并使用主存DMA 控制并使用主存t(2) 周期挪用（或周期窃取）DMA 访问主存有三种可能: CPU 此时不访存• CPU 正在访存• CPU 与 DMA 同时请求访存此时CPU 将总线控制权让给 DMA主存工作时间CPU控制并使用主存DMA控制并使用主存t博学日新明德笃行(3) DMA 与 CPU 交替访问主存工作时间DMA 控制并使用主存CPU 控制并使用主存tCPU 工作周期C 1 专供 DMA 访存C 2 专供 CPU 访存所有指令执行过程中的一个基准时间不需要 申请建立和归还 总线的使用权（1）向 CPU 申请 DMA 传送（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）修正 传送过程中的数据 地址 和 长度（6）DMA 传送结束时，给出操作完成信号预处理：主存起始地址设备地址 传送数据个数启动设备DMA DMADMA数据传送：继续执行主程序同时完成一批数据传送后处理：中断服务程序做 DMA 结束处理CPU允许传送？主存地址送总线数据送I/O 设备（或主存 ）修改 主存地址修改 字计数器数据块传送结束？DMA 请求否否是是数据传送数据传送过程（输入）数据传送过程（输出）明德笃行博学日新校验送入主存的数是否正确是否继续用 DMA测试传送过程是否正确，错则转诊断程序由中断服务程序完成博学日新明德笃行(1) 数据传送(2) 响应时间(3) 处理异常情况(4) 中断请求(5) 优先级中断方式DMA 方式程序 硬件指令执行结束 存取周期结束能 不能低 高传送数据 后处理。
计算机组成原理课件第08章
一、接口的功能和组成
1、总线连接方式的I/O接口电路 、总线连接方式的 接口电路 在总线结构的计算机系统中，每一台 I/O设备都是通过I/O接口挂到系统总线上 的。如图示：
数据线： 数据线：传送数据信息 ，其根数一般等于存储 字长的位数或字符的位 数。双向。 设备选择线： 设备选择线：传送设备 码，其根数取决于I/O指 令中设备码的位数。单 向。 命令线： 命令线：传输CPU向设 备发出的各种命令信号 ，其根数与命令信号多 少有关。单向总线。 状态线： 状态线：向主机报告I/O 设备状态的信号线。单 向总线。
CPU在任何瞬间只能接受一个中断源 CPU在任何瞬间只能接受一个中断源 的请求。 的请求。因此，当多个中断源提出中断请 求时，CPU必须对各中断源的请求进行排 队，且只能接受级别最高的中断源的请求 ，不允许级别低的中断源中断正在运行的 中断服务程序。此时，就可用MASK来改 变中断源的优先级别。 另外，CPU总是在统一的时间，即执 CPU总是在统一的时间， 总是在统一的时间 行每一条指令的最后时刻， 行每一条指令的最后时刻，查询所有设备 是否有中断请求。 是否有中断请求。 接口电路中D、INTR、MASK和中断 查询信号的关系如图示：
2、排队器 、 当多个中断源同时向CPU提出请求时，经 排队器的排队，只有优先级高的中断源排上 队，这样就能实现CPU按中断源优先级的高 低响应中断请求。 下图是设在各个接口电路中的排队电路— —链式排队器。
其中首尾相接的虚线部分组成的门电路是排 当各中断源均无中断请求时，各INTRi 为高电 队器的核心，由一个非门和一个与非门构成。 平，其INTP1 '、 INTP2' 、 INTP3 '……均为高电平 中断源优先级最高的是1号中断源。当多个中 。一旦某中断源提出中断请求,就迫使比其优先级 断源提出中断请求时，排队器输出端INTPi， 低的中断源之INTPi '变为低电平，封锁其发中断 只有一个为高电平，表示该中断源排上队。 请求。
计算机组成原理课件(第8章__输入输出系统)
2、程序查询方式的数据传送过程 具体步骤： ①向外设发出命令字，请求数据传送； ②从外设状态字寄存器读入状态字； ③检查状态字中的各种约定标志，看数据交换是否 可以进行。 ④若外设就绪，则进行数据传送，否则，重复②、 ③两步，一直到该设备准备好交换数据，发出就 绪信号“READY”为止。 ⑤在数据传送的同时，CPU将I/O接口中的状态标志 复位
4．外围处理机方式 外围处理机(PPU)方式是通道方式的进一步发 展．由于PPU基本上独立于主机工作，它的结 构更接近一般处理机，甚至就是一般的微小型 计算机．在一些系统中，设置了多台PPU，分 别承担I／O控制、通信、维护诊断等任 务．从某种意义上说，这种系统已变成分布式 的多机系统
8.2 程序查询方式
2．程序中断方式
中断是外围设备用来“主动”通知 CPU ，准 备送出输入数据或接收输出数据的一种方 法．通常，当一个中断发生时， CPU 暂停它 的现行程序，而转向中断处理程序，从而可 以输入或输出一个数据．当中断处理完毕后， CPU 又返回到它原来的任务，并从它停止的 地方开始执行程序．这种方式和我们前述例 子的第二种方法相类似．可以看出，它节省 了 CPU宝贵的时间，是管理 I ／ O 操作的一个 比较有效的方法。中断方式一般适用于随机 出现的服务，并且一旦提出要求，应立即进 行．同程序查询方式相比，硬件结构相对复 杂一些，服务开销时间较大
8.3 程序中断方式
8.2.1 中断的基本概念 采用程序查询方式，当外设速度较低 时，CPU大量的时间用于无效的查 询．不能处理其他事务，也不能对其他 突发事件及时作出反应。如何使CPU既 能对突发事件作出及时响应，避免无效 的查询以提高效率呢?
dma方式的定义 -回复
dma方式的定义 -回复DMA（Direct Memory Access）是一种计算机系统中用于数据传输的技术。
它允许外设设备直接与主存储器进行数据交换，而无需通过中央处理器的参与。
这种方式大大提高了数据传输的效率和系统的性能，被广泛应用于各种计算机系统和设备中。
首先，我们需要了解D MA的基本工作原理。
在传统的计算机系统中，当外设设备需要将数据传输到内存中，或者将内存中的数据传输给外设设备时，通常需要通过CPU来进行数据交换。
CPU将负责控制和处理数据传输的全部过程，这就需要大量的CPU时间和资源。
而DMA 则可以直接将数据传输到内存中，或者从内存中读取数据，从而绕过CPU，提高数据传输的速度和效率。
DMA方式的数据传输分为三个主要步骤：初始化，执行和结束。
首先是初始化阶段。
在这个阶段，CPU与DMA 控制器进行通信，告知它们要进行的数据传输任务的相关信息。
这包括传输的数据大小、传输的方向、数据的起始地址等。
DMA控制器根据这些信息来配置自身的工作模式和参数。
接下来是执行阶段。
在这个阶段，DMA控制器独立地执行数据传输任务，不需要CPU的干预。
它通过控制总线的方式与外设设备和内存进行数据交换。
当数据传输开始时，DMA控制器根据初始化阶段的参数，向外设设备发送读取/写入的命令，并从外设设备读取或写入数据。
然后，DMA控制器将数据直接传输到内存中的指定位置，或从内存中读取数据，并将其传输到外设设备。
这个过程不需要CPU进行任何的干预，CPU可以继续处理其他任务。
最后是结束阶段。
在数据传输完成后，DMA 控制器会向CPU发送一个中断信号，通知其数据传输已经完成。
CPU可以根据需要进行进一步的处理，比如检查传输是否成功，处理接收到的数据等。
然后，CPU可以重新配置DMA控制器，为下一次数据传输做准备。
DMA方式的优势在于减少了CPU的负担，提高了数据传输的效率和系统的性能。
它特别适用于需要大量数据传输的应用场景，比如存储器、网络接口卡和硬盘等设备的数据传输。
DMA方式和通道方式
• 都能在I/O设备和主存之间建立数据直传通路； •DMA只能实现固定的数据传送控制，而通道有自己的指令和 程序，具有更强的独立处理数据输入和输出的能力。 •DMA只能控制一台或少数几台同类设备，而一个通道可以同 时控制多台同类或不同类设备。 •通道是在一定的硬件基础上利用软件手段实现对I/O的控制和 传送。
磁盘中断 处理程序
IRET
CPU
CPU访问内存
DMA请求 当前内存周期结束 CPU访问内存
DMA请求
数据寄存器满 DMA应答
数据寄存器满
当前内存周期结束 DMA应答
CPU访问内存
DMA接口
磁
柱面符合？ N
盘
寻
扇区符合？ N
址
读盘
DMA访问内存 读盘
DMA访问内存
中断应答 一条指令执行结束
中断请求 中断向量
一批数据读写完毕
四、DMA过程
DMA接口组成
3. 结束处理
•数据块传送完毕后，发中断请求信号，CPU进行中断处理。 （重新初始化或中止DMA操作）
12
五、DMA方式特点 (与中断方式对比)
1. DMA方式的并行性比中断方式更高； • 仅初始化和结束处理需CPU干预
2. DMA传送无需程序切换、程序控制； 3. DMA方式主要是靠硬件来实现数据传送； 4. CPU响应DMA请求在CPU周期结束后，而响应中断是在
▪ 接口接到应答信号后，接管总线使用权，将接口中主存地址送 地址总线，将存储器读写信号送控制总线，完成一次数据传送。 ▪每次DMA传送后，接口中主存地址自增(或自减), 数据块长度减1 ▪完成一次传送后，清除DMA请求信号，准备好下一批时，再发 DMA请求信号。重复直至传送结束。
计算机组成原理dma
计算机组成原理dmaDMA（Direct Memory Access，直接内存访问）是计算机组成中的一种技术，通过它，外部设备可以直接与主存进行数据传输，而无需经过中央处理器（CPU）的介入。
DMA技术的引入大大提高了计算机系统的性能和效率。
在传统的I/O数据传输方式中，CPU需要负责控制数据的传输过程，即CPU从外部设备读取或写入数据，并将数据转移到主存中。
这种方式会占用CPU的大量时间和资源，限制了计算机系统的整体性能。
而引入DMA技术后，外设可以直接将数据传输到主存中，或从主存中读取数据，而无需CPU的直接参与。
DMA技术的基本原理是，通过在计算机系统中添加一个DMA控制器，它可以独立地控制数据的传输过程。
当外设需要进行数据传输时，它会向DMA控制器发送请求，并提供存储器地址、传输数据大小等信息。
DMA控制器接收到请求后，会与主存进行通信，直接将数据传输到指定的存储器地址中。
通过使用DMA技术，可以显著减少CPU的负载，提高数据传输的速度和效率。
DMA技术在许多应用中都得到了广泛的应用，例如网络通信、磁盘读写、音视频处理等领域。
除了提高性能和效率之外，DMA技术还有其他一些优点。
首先，它可以提高系统的可靠性和稳定性，因为数据传输过程中不需要CPU的介入，减少了出错的可能性。
其次，DMA技术可以节省CPU的能耗，因为数据传输过程中CPU可以进入低功耗状态。
最后，DMA技术可以提供更好的实时性能，特别是在需要快速响应的应用中。
然而，DMA技术也存在一些限制和挑战。
首先，由于DMA控制器需要占用一定的系统资源，因此系统中只能同时支持有限数量的DMA传输。
其次，DMA传输需要与主存进行通信，可能会引起总线竞争和冲突，需要进行合理的调度和管理。
此外，由于DMA传输是由硬件直接控制的，因此对于某些特定应用，可能需要额外的软件支持来进行配置和管理。
总的来说，DMA技术是计算机系统中重要的组成部分，通过它可以提高系统的性能和效率。
《计算机组成原理》8-输入输出系统
允许中断３
INTA &
&
&
允许中断４ &
&
&
&
1
1
1
1
INTR1
INTR2
INTR3
（ b） 串 行 优 先 链 中 断 排 队 线 路
INTR4
&
至下一级
≥1
INT
程序中断方式
2、中断的处理过程
✓ 软件排队的基本做法是：当CPU访问到 INT0
中
有中断请求时，则保留好中断断点后立
断 服
即进入软件排队程序的入口。从最高优
✓ 中断排队的实现 可以用硬件排队或软件排队两种方法来实现
➢ 硬件排队方式 硬件排队的基本特点是，优先级别高的中断源提出中 断请求后，就自动封锁优先级别较低的中断源的中断请求
➢ 软件排队方式 软件排队是通过编写查询程序实现的。
程序中断方式
2、中断的处理过程
➢ 硬排队方式 I N T R0
INTR1 1
程序直接控制方式
2、条件传送方式
✓ 通过程序查询接口中的状态来控制数据传送的方式，也被称为程序查询 方式。
✓ 程序查询方式中，在执行一次有效的数据传送操作之前，必须对外部设 备的状态进行查询，如果外部设备准备就绪，才能执行数据传送操作。
程序直接控制方式
2、条件传送方式
检查状态标记
N 准备就绪？ Y 执行数据传送
I/O接口
1、接口的概念
✓ 介于主机与外部设备之间的一种缓冲电路称为I/O接口电路，简称I/O接口
（Interface）
✓ 对于主机，I/O接口提供了外部设备的工作状态及数据；对于外部设备，I/O
一文详解DMA(直接存储器访问)
1.DMA，全称Direct Memory Access，即直接存储器访问。
DMA传输将数据从一个地址空间复制到另一个地址空间，提供在外设和存储器之间或者存储器和存储器之间的高速数据传输。
我们知道CPU有转移数据、计算、控制程序转移等很多功能，系统运作的核心就是CPU.CPU无时不刻的在处理着大量的事务，但有些事情却没有那么重要，比方说数据的复制和存储数据，如果我们把这部分的CPU资源拿出来，让CPU去处理其他的复杂计算事务，是不是能够更好的利用CPU的资源呢？因此：转移数据（尤其是转移大量数据）是可以不需要CPU参与。
比如希望外设A的数据拷贝到外设B，只要给两种外设提供一条数据通路，直接让数据由A拷贝到B 不经过CPU的处理，DMA就是基于以上设想设计的，它的作用就是解决大量数据转移过度消耗CPU资源的问题。
有了DMA使CPU更专注于更加实用的操作–计算、控制等。
2.DMA定义：DMA用来提供在外设和存储器之间或者存储器和存储器之间的高速数据传输。
无须CPU的干预，通过DMA数据可以快速地移动。
这就节省了CPU的资源来做其他操作。
DMA传输方式DMA的作用就是实现数据的直接传输，而去掉了传统数据传输需要CPU寄存器参与的环节，主要涉及四种情况的数据传输，但本质上是一样的，都是从内存的某一区域传输到内存的另一区域（外设的数据寄存器本质上就是内存的一个存储单元）。
四种情况的数据传输如下：外设到内存内存到外设内存到内存外设到外设3.DMA传输参数我们知道，数据传输，首先需要的是1 数据的源地址 2 数据传输位置的目标地址，3 传递数据多少的数据传输量，4 进行多少次传输的传输模式 DMA所需要的核心参数，便是这四个当用户将参数设置好，主要涉及源地址、目标地址、传输数据量这三个，DMA 控制器就会启动数据传输，当剩余传输数据量为0时达到传输终点，结束DMA传输，当然，DMA 还有循环传输模式当到达传输终点时会重新启动DMA传输。
计算机组成原理IO系统-4DMA
一次DMA传送 一次DMA传送 DMA 地址+ 地址+1 交换量交换量-1 交换量=0？ 交换量=0？ =0
Y N
一条指令结束 时有中断请求？ 时有中断请求？
N
中断处理
申请中断
继续程序
三个阶段： 三个阶段： 程序准备：主程序实现初始化 程序准备：主程序实现初始化。 实现初始化。 DMA传送 硬件实现 传送： DMA传送： 硬件实现M 实现M I/O。 I/O。 善后处理：中断处理程序判断传送的正误 善后处理：中断处理程序判断传送的正误。 判断传送的正误。 （4）应用场合 用于高速、简单、批量数据传送 传送。 用于高速、简单、批量数据传送。
3.DMA控制器的引出线 ⑴地址总线 方式下， 在 DMA方式下 ， 呈输出状态 ， 可对 方式下 呈输出状态， 主存进行地址选择； 方式下， 主存进行地址选择；在CPU方式下，呈输 方式下 入状态，可对DMA控制器中的有关寄存器 入状态，可对 控制器中的有关寄存器 进行寻址。 进行寻址。 ⑵数据总线 在 DMA方式下 ， 用它进行数据传送； 方式下， 用它进行数据传送 ； 方式下 方式下， 在 CPU方式下 ， 可对 方式下 可对DMA控制器的有关 控制器的有关 寄存器进行编程。 寄存器进行编程。
7.4 DMA方式及接口 DMA方式及接口 7.4.1 DMA方式基本概念 DMA方式基本概念
（1）定义 直接依靠硬件实现主存与I/O间的数据传送， I/O间的数据传送 直接依靠硬件实现主存与I/O间的数据传送， 传送期间不需CPU程序干预。 CPU程序干预 传送期间不需CPU程序干预。 1)I/O与主存，而不是I/O CPU或I/O与主机。 I/O与 1)I/O与主存，而不是I/O与CPU或I/O与主机。 2)早期由CPU控制传送 早期由CPU控制传送； 2)早期由CPU控制传送； 现在由DMA控制器控制传送，DMA控制器接 现在由DMA控制器控制传送，DMA控制器接 DMA控制器控制传送 管总线权，传送完毕再交还总线权。 管总线权，传送完毕再交还总线权。 3)传送期间只要CPU不访存，可并行操作。 3)传送期间只要CPU不访存，可并行操作。 传送期间只要CPU不访存 4)传送前和传送后需要程序干预。 4)传送前和传送后需要程序干预。 传送前和传送后需要程序干预
微型计算机原理与应用 聂伟荣 第八章 DMA技术 课件
DMA传送方式与DMA控制器
DMA传送方式不需CPU干预可完成M与 I/O、 M与M、 I/O与M间数据传送。 DMA期间系统总线由DMAC控制(驱动) 控制总线的DMAC要提供系统的地址及控 制信号。 DMAC与处理器CPU配合才可实现微机系 统的DMA功能。
DMA与DMA控制器
DMA的系统组成
00,02,04,06 01,03,05,07 08H 09H 0AH 0BH 0CH 0DH 0EH 0FH
读(IOR)
通道0~3当前地址寄存器 通道0~3当前字节寄存器 状态寄存器 —— —— —— —— 暂存器 —— ——
写（IOW）
通道0~3基地址, 当前地址寄存器 通道0~3基字节, 当前字节寄存器 控制寄存器 请求寄存器 屏蔽标志 模式寄存器 清除先/后触发器 复位命令 清除屏蔽标志命令 综合屏蔽标志
8237A的编程
1、模式 REG的格式(写入0BH):工作方式设定
D7
模式选择 请求传输模式 单字节传输模式 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
通道选择 选 0# Channel 选 1# Channel 选 2# Channel 选 3# Channel
译码
8237A的内部口地址及操作
内部口地址
00,02,04,06 01,03,05,07 08H 09H 0AH 0BH 0CH 0DH 0EH 0FH
读(IOR)
通道0~3当前地址寄存器 通道0~3当前字节寄存器 状态寄存器 —— —— —— —— 暂存器 —— ——
写（IOW）
通道0~3基地址, 当前地址寄存器 通道0~3基字节, 当前字节寄存器 控制寄存器 请求寄存器 屏蔽标志 模式寄存器 清除先/后触发器 复位命令 清除屏蔽标志命令 综合屏蔽标志
《计算机组成原理》课程中“DMA方式”知识点的教学设计
本栏目责任编辑：王力计算机教学与教育信息化《计算机组成原理》课程中“DMA 方式”知识点的教学设计智爱娟，刘雅琴，侯凤云（洛阳师范学院信息技术学院，河南洛阳471934）摘要：教学设计是为了提高教学效率和教学质量，根据课程标准的要求和教学对象的特点，将教学诸要素有序安排，形成教学方案的设想和计划。
本文通过对教材和学情的分析，从学什么，为什么学，如何学三方面探讨了《计算机组成原理》课程“DMA 方式”一节的教学设计，利用该教学设计形成的教学方案在河南省教育系统教学技能竞赛中得到了学生和同行的好评。
关键词：教学设计；DMA 方式；教学目标；教学案例中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1009-3044(2021)12-0170-02开放科学（资源服务）标识码（OSID ）：1引言美国教育家加涅（R.M.Gagne ）1988年在《教学设计原理》中提出：教学设计是一个系统化（systematic ）规划教学系统的过程。
教学设计要从“为什么学”入手，确定“学什么”“如何学”，最后通过对学习效果的评价，修正各个教学环节，最终力求获得最佳的教学效果。
《计算机组成原理》是我校信息技术学院计算机科学与技术专业、物联网工程专业和网络工程专业的一门专业基础课程，主要讲述计算机五大部件的内部结构及工作原理。
课程内容枯燥乏味、抽象难懂。
因此，教师在课前要针对学生情况对讲述的知识进行教学设计，化难为易、循序渐进引导学生进入知识环境，将抽象知识具体化，激发学生产生兴趣，共同完成教学任务。
本文以“DMA 方式”为例探讨教学设计的方法。
2“DMA 方式”教学设计2.1教材分析和学情分析1）教材分析本节课内容选自高等教育出版社出版的《计算机组成原理（第2版）》（唐硕飞编著）中的第5章输入输出系统的第6节。
在讲授本节课之前学生刚学习了程序中断方式接口电路的基本组成，以及程序中断方式下主机和外部设备传输数据的原理，为本节课的学习奠定了基础。
计算机组成原理——DMA存取方式
计算机组成原理——DMA存取⽅式DMA(Direct Memory Access)直接存储器存取⾼速⼤容量存储器和主存之间交换时，若采⽤程序直接传送或程序中断传送的⽅式，则会有如下问题发⽣。
1）采⽤程序直接传送，主机⼯作效率受到限制。
2）采⽤中断控制数据传送可以提⾼主机效率，但⽤于⾼速外设和主机交换信息，会使主机处于频繁的中断与返回过程中，从⽽加重了与中断有关的额外负担（即保护旧现场，恢复新现场），这样降低了CPU的性能，还有丢失数据的可能。
DMA是l/O设备与主存之间由硬件组成的直接数据通路，主要⽤于⾼速I／O设备与主存之间的成组数据传送。
数据传送时是在DMA控制器控制下进⾏的，由DMA控制器给出当前正在传送的数据字的主存地址，并统计传送数据的个数以确定⼀组数据的传送是否已结束。
在主存中要开辟连续地址的专⽤缓冲器，⽤来提供或接收传送的数据。
在数据传送之前和结束后要通过程序或中断⽅式对缓冲器和DMA控制器进⾏预处理和后处理。
对磁盘的读写是以数据块为单位进⾏的，⼀旦找到数据块的起始位置就将连续地读写。
⼀、DMA控制器主要功能：组成：DMA控制器包括多个设备寄存器、中断控制和DMA控制逻辑等。
主要的寄存器有：（1）主存地址寄存器（MAR）：存放要交换数据的主存地址（2）外围设备地址寄存器（ADR）：存放I/O设备的设备码，或者表⽰设备信息存储区的寻址信息。
（3）字数计数器（WC）：对传送数据的总字数进⾏统计。
（4）控制与状态寄存器（CSR）：⽤来存放控制字和状态字。
（5）数据缓冲寄存器（DBR）：暂存每次传送的数据。
⼆、DMA传送过程DMA的数据传送过程可分为三个阶段:DMA预处理DMA数据传送DMA传送后处理在上⾯数据传送的过程中，CPU和DMA控制器访问主存时可能会产⽣冲突，争夺总线的访问权。
那么应该如何安排CPU和DMA的访存？三、DMA传送⽅式四、DMA⽅式特点五、DMA⽅式与中断⽅式⽐较⽤⼀道例题来分析这两种⽅式对CPU的占⽤情况。
DMA方式及接口PPT
驱动器控制逻辑：向驱动器送出控制命令 驱动器选择、 寻道方向选择、读、写…… ，
驱动器状态逻辑：接收驱动器状态信息 选中、就绪、寻 道完成…… ，
传送串行数据，
Add the author and the accompanying title
生活
图标元素
商务
图标元素
适配器内DMA控制器：适配器 驱动器
2.硬盘适配器粗框
系 统
处理机
智能
驱动器
硬 盘
总
接口
主控器
接口
驱
线
动
器
系 统
处理机
智能
驱动器
硬 盘
总
接口
主控器
接口
驱
线
动
器
1 处理机接口 面向系统总线一侧
EPROM控制逻辑：放有硬盘驱动程序 系统自检时被引入系 统管理之下 ，
I/O端口控制逻辑：接收CPU送来的端口地址、读/写命令, 访问处理机接口中的相应寄存器，
DMA方式及接口PPT
Add the author and the accompanying title
系统总线
CPU
M
DMDAMA
接口
控制器
接口
1.DMA控制器功能
I/O
I/O
1 接收初始化信息 2 接收外设DMA求,
传送方向、主存首址、交换量 ， 初始化
判优, 向CPU申总线， 传送前
3 接管总线权,发地址、读/写命令，
商务
图标元素
商务
图标元素
商务
图标元素
பைடு நூலகம்
2.接口功能
传送期间
8.4 DMA方式
计算机组成原理第八章 输入/输出系统8. 4 DMA方式1DMA方式的基本原理数据的传送不经过CPU，由DMA控制器实现内存和外设、外设和外设之间的直接快速传送。
用于需要高速大批量数据传送的系统中。
输入设备ID主存储器MM处理器CPU输出设备OD2DMA传输计算机系统构成DMA控制器作为主设备之一总线仲裁器缓冲器缓冲器DMAC CPU DMAWAIT HLDAHOLDDMEN I/0系统总线I/0Memory ……2DMA传输计算机系统构成DMA控制器与I0接口集成DMA控制器提供专门IO总线CPU DMACI/0DMAC I/0I/0Memory……系统总线CPU DMACMemory ……系统总线I/0……I/0I/0总线3DMA控制器（DMAC）DMA控制器的两种工作状态被动态（受控器）：未取得总线控制权，受CPU的控制。
主动态（主控器）：接管并取得总线控制权，取代CPU而成为系统的主控者。
4DMA传输步骤申请阶段：一个设备接口试图通过总线直接向另一个设备发送数据(一般是大批量的数据)，它会先向CPU发送DMA请求信号；响应阶段：CPU收到DMA请求信号后，在当前的总线周期结束后，会按DMA信号的优先级和提出DMA请求的先后顺序响应DMA信号；4DMA传输步骤数据传送阶段CPU对某个设备接口响应DMA请求时，会让出总线控制权；于是在DMA控制器的管理下，外设和存储器直接进行数据交换，而不需CPU干预；传送结束阶段数据传送完毕后，设备接口会向CPU发送DMA结束信号，交还总线控制权。
5DMA操作类型数据传送：把源地址的数据传输到目的地址去（存储器或I/O）。
数据校验：不进行数据传输，只对数据块内部的每个字节进行某种校验；这种数据校验一般安排在读数据块之后，以便校验所读的数据是否有效。
数据检索：不进行数据传输，只是在指定的内存区域内查找某个关键字节或某几个数据位是否存在。
6DMA操作方式单字节传输模式：每次DMA操作传送一个字节后，接着释放总线。
8计算机组成原理(第八章)
通过接口，主机和外设可以完成包括数据信息、控制信
息、和状态信息等的交换（主机不能直接访问外设）。
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接口所处的位置
适配器 也叫接口
系统总线 连接主机 和接口
外总线 连接设备
问题是：为什么必须要通过接口来实现信息交换呢？
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2、接口的功能与基本组成
控制功能：接口包含大部分外设的控制电路，如启动设备等。 数据缓冲功能：主机和外设工作速度差异很大，需要解决两者之间 的速度匹配问题，办法是在接口中设立数据缓冲寄存器。
独立编址方式 独立编址方式是指I/O端口地址与存储器地址无关，单独编 码，CPU用专门设置的I/O指令访问端口。 特点：不占用存储空间，但需要专门设置I/O指令，I/O指令 仅限于传输操作，功能较弱。8086微机采用独立编址方式。
统一编址方式 统一编址方式是指把I/O端口当作存储器单元来分配地址。 不设专门的I/O指令，使用访存指令就能实现I/O操作。 特点：CPU访问外设更灵活方便，但使内存容量减小；进行 I/O操作时，执行速度比较慢。PDP-11采用统一编址方式。
外总线：计算机之间、计算机与其它设备之间的连接线。在 多数情况下，这些连线非计算机专用，主要用于其它设备。
按时序控制方式可分为同步总线、异步总线、准同步总线； 按 数据传送格式可分为串行总线、并行总线。
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3、总线标准
标准化是一种趋势，总线也不例外，目前总线基本实现标准
化生产。总线一般按以下四大特征进行规范。
总线标准就是对总线的这四个方面进行的规范。 制定总 线标准有以下几方面的好处（优点、优势）：
从工程的角度考虑，能够简化硬件设计、易于扩展。 从用户的角度考虑，易于获得总线部件，随便从哪里
计算机组成原理第八章
8.3.3 基本的 基本的DMA控制器 控制器
• (5)“控制/状态”逻辑 由控制和时序电 “控制 状态 状态” 路以及状态标志等组成，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。
8.3.3 基本的 基本的DMA控制器 控制器
8.3.3 基本的 基本的DMA控制器 控制器
• 1.DMA控制器的基本组成 控制器的基本组成 • 1)内存地址计数器 用于存放内存中要交 内存地址计数器 换的数据的地址。在DMA传送前，须通 过程序将数据在内存中的起始位置(首地 址)送到内存地址计数器。而当DMA传 送时，每交换一次数据，将地址计数器 加“1”，从而以增量方式给出内存中 要交换的一批数据的地址。
8.3 DMA方式
8.3.1 DMA的基本概念 的基本概念 8.3.2 DMA传送方式 传送方式
8.3.1 DMA的基本概念 的基本概念
• 直接内存访问 直接内存访问(DMA)是一种完全由硬件 是一种完全由硬件 执行I/O交换的工作方式 交换的工作方式。 执行 交换的工作方式。在这种方式 控制器从CPU完全接管对总 中，DMA控制器从 控制器从 完全接管对总 线的控制，数据交换不经过CPU，而直 线的控制，数据交换不经过 ， 接在内存和I/O设备之间进行 接在内存和 设备之间进行 。DMA方 方 式一般用于高速传送成组数据。 式一般用于高速传送成组数据。 • DMA控制器将向内存发出地址和控制信 控制器将向内存发出地址和控制信 号，修改地址，对传送的字的个数计数， 修改地址，对传送的字的个数计数， 并且以中断方式向CPU报告传送操作的 并且以中断方式向 报告传送操作的 结束。 结束。
基本DMA控制器与系统的连接方式： 控制器与系统的连接方式 基本 图8.13 DMA传送数据的流程图
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8.4.1DMA方式的一般概念
DMA基本操作：
? (1)从外围设备发出 DMA请求； ? (2)CPU响应请求，把 CPU工作改成DMA操作
方式， DMA控制器从 CPU接管总线的控制； ? (3)由DMA控制器对内存寻址，即决定数据传送
的内存单元地址及数据传送个数的计数，并执 行数据传送的操作； ? (4)向CPU报告DMA操作的结束。
8.4.2 DMA传送方式
? CPU和DMA控制器各自有自己的访内地址 寄存器、数据寄存器和读/写信号等控制寄 存器。在C1周期中，如果DMAБайду номын сангаас制器有访 内请求，可将地址、数据等信号送到总线 上。在C2周期中，如CPU有访内请求，同 样传送 地址、数据等信号。
8.4.2 DMA传送方式
? 优点：总线控制权的转移不需要时间， DMA传送高效
8.4.2 DMA传送方式
? 优点: 控制流程简单。 ? 缺点 : 在DMA控制器 I/O访内阶段，内存的
效能没有充分发挥，相当一部分内存工作 周期是空闲的。 ? 仅适用于：数据传输率很高的设备进行成 组传送
8.4.2 DMA传送方式
? 2、周期挪用方式
? DMA控制器与主存储器之间传送一个数据， 占用一个内存周期，即CPU暂停访存工作 一个周期，然后继续执行程序。
? 优点：完全硬件实现，速度快。有利于发挥 CPU的效率。
8.4.1DMA方式的一般概念
? 过程描述：
? 由DMA控制器给出当前正在传送的数据的主存地址， 并统计传送数据的个数以确定一组数据的传送是否 已结束。在主存中要开辟连续地址的专用缓冲器， 用来提供或接收传送的数据。在数据传送前和结束 后要通过程序或中断方式对缓冲器和DMA控制器进 行预处理和后处理。
8.4.2 DMA传送方式
? 优点：既实现了I/O传送，又较好地发挥了 内存和CPU的效率
? 缺点：每次传送都要申请总线控制权，建 立总线控制权，归还总线控制权。
? 适用于：I/O设备读写周期大于内存存储周 期的情况
8.4.2 DMA传送方式
? 停止CPU访存和周期挪用的区别
? 前者：外设需传送一批数据到内存时， DMA独 占总线、内存等资源，一直到该任务完成
? 缺点：硬件逻辑实现复杂 ? 适用于：CPU的工作周期比内存存取周期
长很多的情况。
8.4.3 基本DMA控制器
1、DMA基本构成 (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，须通过程序将数据在 内存中的起始位置 (首地址)送到内存地址计数器。 而当DMA传送时，每交换一次数据，将地址计数 器加“ 1”，从而以增量方式给出内存中要交换的 一批数据的地址。
DMA方式
8.4 DMA方式
8.4.1 DMA方式的一般概念 8.4.2 DMA传送方式 8.4.3 DMA传送一个数据的过程
8.4.1DMA方式的一般概念
? 直接存储器访问（ Direct Memory Access ） DMA方式是为了在主存储器与 I／O设备间高速 交换批量数据而设置的。
? 基本思想是：通过 硬件控制实现主存与I／O设 备间的直接数据传送，在传送过程中无需 CPU 的干预。数据传送是在 DMA控制器控制下进行 的，
1、DMA基本构成
(2)字计数器 用于记录传送数据块的长度(多 少字数)。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。 在DMA传送时，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，于是引起 DMA控制器向CPU发中断信号。
1、DMA基本构成
? 后者：当外设信息被读取后要写入内存时，才 申请总线、访存权限，完成写入，而后释放， 等到下批数据被读出时，又再申请权限、资源， 写入内存。
8.4.2 DMA传送方式
? 3、DMA和CPU交替访问内存工作方式 ? 如果CPU的工作周期比内存存取周期长 很多，可以采用该种方法 ? 指令周期包含若干CPU周期，CPU周期 中访内周期只占整个周期一部分(eg.C1)， 另外一部分时间(eg.C2)可交由DMA访内， 此时DMA与CPU并行工作。 ? 不需要总线控制权的申请、建立与归还。 通过C1、C2分时控制，总线控制权的转 移速度快，DMA效率高。
8.4.2 DMA传送方式
I/O设备要求DMA传送时可能遇到两种情况：
? (1) CPU不需要访内，如 CPU正在执行乘法指令。 由于乘法指令执行时间较长，此时 I/O访内与CPU 访内没有冲突，即 I/O设备挪用一二个内存周期对 CPU执行程序没有任何影响。
? (2)CPU也要求访内时，这就产生了访内冲突，在 这种情况下 I/O设备访内优先，因为 I/O访内有时间 要求，前一个 I/O数据必须在下一个访内请求到来 之前存取完毕。显然，在这种情况下 I/O 设备挪用 一二个内存周期，意味着 CPU延缓了对指令的执 行，或者更明确地说，在 CPU执行访内指令的过 程中插入 DMA请求，挪用了一二个内存周期。
? 思考： ? DMA正在完成I/O操作时，CPU在干什么？
? 二者同时有访存需求，怎么办？
8.4.2 DMA传送方式
1、停止CPU访问内存。
? 主机响应DMA请求后，让出存储总线，直到一组数 据传送完毕后，DMA控制器才把总线控制权交还给 CPU。
? 采用这种工作方式的I／O设备，在其接口中一般设 置有小容量存储器，I／O设备先与小容量存储器交 换数据，然后由小容量存储器与主机交换数据，这 样可减少DMA传送占用存储总线的时间，也即减少 了CPU暂停工作的时间。
(3)数据缓冲寄存器 用于暂存每次传送的数据 (一个 字)。当输入时，由设备 (如磁盘)送往数据缓冲寄 存器，再由缓冲寄存器通过数据总线送到内存。 反之，输出时，由内存通过数据总线送到数据缓 冲寄存器，然后再送到设备。
1、DMA基本构成
(4)“DMA请求”标志 每当设备准备好一个数据字后 给出一个控制信号，使“ DMA请求” 标志置“1”。 该标志置位后向“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。