DMA方式和通道方式.pptx

6.6 直接存直接存储器存取（器存取（DMA）2一、基本概念一、基本概念 DMA(Direct Memory Access)直接存直接存储器存取器存取在主存在主存储器和外器和外设之之间直接直接进行数据交行数据交换，不需要，不需要CPU的程的程序干序干预。通。通过专门的硬件装置的硬件装置DMA控制器（控制器（DMAC）来）来进行控制，并借用系行控制，并借用系统总线作作为信息的信息的传送通道。送通道。除事先除事先设置置DMAC需要需要CPU介入外，一旦启介入外，一旦启动DMA传送，送，则完全由硬件自完全由硬件自动操作完成，整个操作完成，整个传送送过程不再需要程不再需要CPU的的干干预。在微机系在微机系统中，中，DMAC有双重身份有双重身份：在在CPU掌管掌管总线时，它是，它是总线上的上的被控被控设备（I/O设备），），CPU可以可以对它它进行行I/O读和和I/O写；写；在在DMAC接管接管总线时，它是，它是总线的的主控主控设备，通，通过系系统总线来来控制存控制存储器和外器和外设直接直接进行数据交行数据交换。4二、二、DMA的的传送方式送方式1.周期挪用方式周期挪用方式 当当DMA要求要求访问主存主存时，如果，如果CPU也要也要访问主存，主存，则CPU暂时停停顿一个存一个存储周期。一个数据周期。一个数据结束后，束后，CPU立即立即继续运运行。也称行。也称单字字传送送方式。方式。适用：主存适用：主存储器工作速度高出器工作速度高出I/O设备较多多时。可以提高主。可以提高主存的存的时间利用率，利用率，对CPU程序程序执行的影响行的影响较小。小。CPU访存访存读盘（写盘）读盘（写盘）周期挪用周期挪用CPU处理内部事务处理内部事务DMA访存访存主存工作时间主存工作时间t5二、二、DMA的的传送方式送方式2.CPU暂停停访问方式方式 当当DMA传送数据送数据时，CPU停止工作，把主存使用停止工作，把主存使用权交交给DMA控制控制逻辑。在。在这批批数据数据传送送结束后，束后，DMA再交再交还主存使主存使用用权。也称成。也称成组传送方式。送方式。适用：适用：I/O设备的数据的数据传输率接近主存率接近主存储器的工作速度。器的工作速度。读盘（写盘）读盘（写盘）CPU访存访存DMA访存访存可供可供CPU访问访问DMA工作工作可供可供CPU访问访问读盘（写盘）读盘（写盘）t主存工作时间主存工作时间6二、二、DMA的的传送方式送方式3.DMA与与CPU交替交替访存方式存方式“透明的透明的DMA方式方式”适用：外适用：外设的工作周期接近主存的存取周期的工作周期接近主存的存取周期CPU访存访存DMA访存访存1234主存工作时间主存工作时间t7三、三、DMA接口接口组成成 主存地址寄存器主存地址寄存器 块长计数器数器 设备数据地址寄存器数据地址寄存器 命令状命令状态寄存器寄存器 数据数据缓冲寄存器冲寄存器 DMA控制控制逻辑 中断控制中断控制逻辑 端口端口译码vDMA接口接口负责申申请、控制、控制总线，控制，控制DMA传送送vDMA接口的基本模型（接口的基本模型（图6.39）8三、三、DMA接口接口组成成中断逻辑中断逻辑DMA逻辑逻辑数据块长计数器数据块长计数器端口译码端口译码命令状态命令状态寄存器寄存器数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器主存地址主存地址寄存器寄存器设备数据地址设备数据地址寄存器寄存器 外设外设 -1 1中断向量中断向量ABDB中断请求中断请求中断应答中断应答DMA请求请求DMA应答应答MMRDMMWR四、四、DMA过程程 包括：包括：1 初始化、初始化、2 DMA传送、送、3 结束束处理。理。1.初始化，包括：初始化，包括：中断初始化（中断初始化（设置中断向量，允置中断向量，允许中断等）中断等）对DMA接口接口设置参数：置参数：主存主存缓冲区首地址冲区首地址传送的数据送的数据块长度度外外设地址地址启启动命令及命令及传送方向送方向设置中断向量设置中断向量消除屏蔽位消除屏蔽位开中断开中断CPU内存首地址内存首地址=接口主存地址寄存器接口主存地址寄存器外设数据地址外设数据地址=接口外设地址寄存器接口外设地址寄存器数据块长度数据块长度=接口块长计数器接口块长计数器读读/写及启动命令写及启动命令=接口命令寄存器接口命令寄存器启动磁盘启动磁盘中断初始化中断初始化DMA初始化初始化DMA接口接口10四、四、DMA过程程2.DMA传送（以送（以输入入为例）例）DMA请求求 当当输入数据已准入数据已准备好，接口好，接口缓冲寄存器已冲寄存器已满时，接口通，接口通过DMA请求求逻辑向向CPU发DMA请求；求；DMA响响应 CPU接到接到DMA请求，在当前内存周期求，在当前内存周期结束后，将束后，将总线输出端置出端置成高阻成高阻态，发出出DMA应答信号，将答信号，将总线控制控制权交交给DMA控制器控制器 DMA访问内存内存 接口接到接口接到应答信号后，接管答信号后，接管总线使用使用权，将接口中主存地址送，将接口中主存地址送地址地址总线，将存，将存储器器读写信号送控制写信号送控制总线，完成一次数据，完成一次数据传送。送。每次每次DMA传送后，接口中主存地址自增送后，接口中主存地址自增(或自减或自减),数据数据块长度减度减1完成一次完成一次传送后，清除送后，清除DMA请求信号，准求信号，准备好下一批好下一批时，再，再发DMA请求信号。重复直至求信号。重复直至传送送结束。束。DMA接口组成接口组成DMA访问内存访问内存CPU访问内存访问内存中断应答中断应答 中断请求中断请求一批数据读写完毕一批数据读写完毕磁盘中断磁盘中断处理程序处理程序IRET一条指令执行结束一条指令执行结束 中断向量中断向量当前内存周期结束当前内存周期结束 DMA应答应答DMA访问内存访问内存CPU访问内存访问内存DMA请求请求 数据寄存器满数据寄存器满当前内存周期结束当前内存周期结束 DMA应答应答读盘读盘柱面符合？柱面符合？扇区符合？扇区符合？NNCPU访问内存访问内存读盘读盘DMA请求请求 数据寄存器满数据寄存器满其其它它任任何何程程序序磁磁盘盘寻寻址址DMA接口接口CPU12四、四、DMA过程程3.结束束处理理数据数据块传送完送完毕后，后，发中断中断请求信号，求信号，CPU进行中断行中断处理。理。（重新初始化或中止（重新初始化或中止DMA操作）操作）DMA接口组成接口组成13五、五、DMA方式特点方式特点(与中断方式与中断方式对比比)1.DMA方式的并行性比中断方式更高；方式的并行性比中断方式更高；仅初始化和初始化和结束束处理需理需CPU干干预2.DMA传送无需程序切送无需程序切换、程序控制；、程序控制；3.DMA方式主要是靠硬件来方式主要是靠硬件来实现数据数据传送；送；4.CPU响响应DMA请求在求在CPU周期周期结束后，而响束后，而响应中断是在中断是在当前指令周期当前指令周期结束后；束后；5.DMA方式中存在方式中存在CPU与与DMA接口之接口之间内存内存访问权和和总线控制控制权的的频繁繁转换；6.DMA只能完成数据只能完成数据传送，不能像中断那送，不能像中断那样实现各种各种处理理功能。功能。6.7 I/O通道控制方式通道控制方式15v程序程序查询方式、程序中断、方式、程序中断、DMA有共同特点：有共同特点：1、都需要、都需要CPU的介入的介入程序程序查询：完全介入；：完全介入；中断：需要中断：需要CPU介入介入，但，但CPU可做其他事可做其他事务；DMA：在：在传输开始和开始和结束束时介入。介入。2、都需要接口硬件支持、都需要接口硬件支持程序程序查询：最：最简单的硬件；的硬件；中断：需增加中断控制器；中断：需增加中断控制器；DMA：需增加：需增加DMA控制器但保留中断控制器。控制器但保留中断控制器。v因此，因此，这三种方式适用于外三种方式适用于外设不太多的小型机、微型不太多的小型机、微型机。机。对于于I/O数量多，数量多，输入入输出出频繁的系繁的系统，占用，占用CPU时间太多，接口硬件太复太多，接口硬件太复杂。166.7.1 基本概念基本概念v通道，能通道，能执行有限通道指令的行有限通道指令的I/O控制器，代替控制器，代替CPU管理控制外管理控制外设。v与与DMA相比相比 都能在都能在I/O设备和主存之和主存之间建立数据直建立数据直传通路；通路；DMA只能只能实现固定的数据固定的数据传送控制，而通道有自己的指令和送控制，而通道有自己的指令和程序，具有更程序，具有更强的独立的独立处理数据理数据输入和入和输出的能力。出的能力。DMA只能控制一台或少数几台同只能控制一台或少数几台同类设备，而一个通道可以同，而一个通道可以同时控制多台同控制多台同类或不同或不同类设备。通道是在一定的硬件基通道是在一定的硬件基础上利用上利用软件手段件手段实现对I/O的控制和的控制和传送。送。17CPU主机主机主存储器主存储器通道通道通道通道设备控制器设备控制器 设备控制器设备控制器 设备控制器设备控制器 设备控制器设备控制器 外设外设 外设外设 外设外设 外设外设 外设外设 外设外设 外设外设 外设外设 典型具有通道的典型具有通道的计算机算机结构构186.7.2 通道的功能通道的功能v接受接受CPU的的I/O指令，并按指令要求指令，并按指令要求选择指定外指定外设。v从主存中取出相从主存中取出相应通道程序通道程序执行，向行，向设备控制器控制器发送各种命送各种命令。令。v控制外控制外设和主存和主存间的数据交的数据交换，根据需要，根据需要进行数据字的拆装，行数据字的拆装，提供数据提供数据缓存空存空间以及指示数据存入主存的地址和数据量。以及指示数据存入主存的地址和数据量。v获得外得外设的状的状态信息，并形成整个通道的状信息，并形成整个通道的状态信息，根据要信息，根据要求将求将这些信息存入主存特定些信息存入主存特定单元，提供元，提供给CPU使用。使用。v将来自外将来自外设的中断的中断请求和通道本身的中断求和通道本身的中断请求按次序及求按次序及时报告告给CPU。来自通道的中断有两种：数据来自通道的中断有两种：数据传送送结束中断，故障中断。束中断，故障中断。196.7.3 通道的通道的类型型1.字字节多路通道多路通道 用于用于连接多台慢速外接多台慢速外设，如，如键盘、打印机等、打印机等以字以字节交叉方式交叉方式传送信息送信息数据数据传输率等于各慢速外率等于各慢速外设速度之和速度之和A1A2B1B2C1C2通道通道A1 B1 C1 A2 B2 C2。206.7.3 通道的通道的类型型2.选择通道通道可可连接多台高速外接多台高速外设，但一次只，但一次只选择一台一台设备，成，成组传送。送。待一批数据待一批数据传送完送完毕后，才能后，才能选择另一台另一台设备。数据数据传输率等于所率等于所连接外接外设中速度最高的外中速度最高的外设速率速率A1A2B1B2C1C2通道通道A1 A2C1B2B1C2216.7.3 通道的通道的类型型3.数数组多路通道多路通道综合前两种通道的合前两种通道的优点，可点，可连接多台高速接多台高速设备，允，允许几台几台设备并行工作，以成并行工作，以成组交叉方式交叉方式传送。每个外送。每个外设都有数据都有数据缓冲冲区。区。最大最大传输率率为所所连外外设中中传输率最大的一个。率最大的一个。22 具有三种通道的具有三种通道的计算机系算机系统主主CPU选择通道选择通道内存内存字节多路通道字节多路通道数组多路通道数组多路通道系系统统总总线线设备控制器设备控制器低速设备低速设备设备控制器设备控制器中速设备中速设备设备控制器设备控制器高速设备高速设备设备控制器设备控制器高速设备高速设备设备控制器设备控制器高速设备高速设备设备控制器设备控制器高速设备高速设备局部局部I/O总线总线局部局部I/O总线总线局部局部I/O总线总线236.7.4 通道的工作通道的工作过程程v通道完成一次数据通道完成一次数据传输，工作，工作过程主要分以下程主要分以下3步：步：在用在用户程序中，遇到程序中，遇到输入入输出出访管指令，由管指令，由CPU通通过管理程序管理程序组织一个通道程序，并启一个通道程序，并启动通道。通道。通道通道执行行CPU为它它组织的通道程序，完成指定的数据的通道程序，完成指定的数据输入入输出。出。通道程序通道程序结束后，向束后，向CPU发出中断出中断请求。求。CPU接到中断接到中断请求后，第求后，第二次二次调用管理程序用管理程序对中断中断请求求进行行处理。然后返回用理。然后返回用户程序。程序。图解图解24用用户程序、管理程序和通道程序的程序、管理程序和通道程序的时间关系关系 CPU运行用户程序运行用户程序CPU运行运行I/O管理程管理程序序通道运行存放在主存中通道运行存放在主存中的通道程序的通道程序请求输入输请求输入输出访管指令出访管指令 编制通道程编制通道程序序启动启动I/O通道通道组织组织I/O操操作作向向CPU发中断请发中断请求求响应响应I/O中断请中断请求求登记或处登记或处理理