5.5DMA方式5.5.1DMA的基本概念5.5.2DMA的工作过程5.5.3DMA的传送方式5.5.4DMA方式的接口主存CPU系统总线DMA接口高速I/O设备DMA接口高速I/O设备程序中断方式: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。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。5.5.1DMA的基本概念5.5.1DMA的基本概念DMA(DirectMemoryAccess)直接存储器存取方式DMA不象前两种方式那样,通过CPU执行外设的终端服务子程序,和外设输入输出数据。DMA方式不通过CPU,直接由DMA接口(硬件)控制外设与内存之间的数据交换,输入时由外设(硬盘)直接写入内存,输出时由内存直接送至外设(硬盘)。(DMA是一种完全由硬件执行的数据交换方式。)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。5.5.1DMA的基本概念DMA:CPU与外设之间的数据传输是并行工作方式。DMA期间CPU不能访存,但可以继续进行其他内部操作。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报告主存CPU系统总线DMA接口高速I/O设备DMA接口高速I/O设备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。CPU主存寄存器中断接口DMA接口I/O设备中断方式数据传输通路输入数据输出数据DMA方式数据传输通路5.5.1DMA的基本概念5.5DMA方式5.5.1DMA的基本概念5.5.2DMA的工作过程5.5.3DMA的传送方式5.5.4DMA方式的接口主存CPU系统总线DMA接口高速I/O设备DMA接口高速I/O设备5.5.2DMA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。5.5.2DMA的工作过程1)预处理(中断初始化,DMA初始化)DMA接口开始工作之前,CPU先对它进行初始化工作,包括:——中断初始化:由于DMA接口与内存之间数据传送结束后,DMA接口以中断方式请求CPU对其进行后处理,所以要进行中断初始化工作。包括:CPU送中断向量(设备号)给DMA接口设备地址寄存器、CPU设置其为允许中断。——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。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:5.5.2DMA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。第二步:DMA响应(小朋友喊着“我要去拿糖”)CPU接到DMA请求信号后,在当前内存存取周期结束后,将总线的输出端置成高阻态(停止使用总线),并发回DMA应答信号HLDA,将总线控制权交给DMA接口。注意:CPU对DMA请求的响应速度快,在每次内存存取周期结束后,而中断响应必须等一条指令执行结束。因为:1、DMA请求来自高速外设,必须尽快响应,以免丢失数据;2、DMA方式不改变CPU的工作现场,无须保护现场,当然无需等到一条指令执行完毕。5.5.2DMA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。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。5.5.2DMA的工作过程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。5.5.2DMA的工作过程CPU设置中断向量清除屏蔽位开中断1)中断初始化内存数据首地址→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DMA接口3)启动磁盘(硬件)柱面找到?扇面找到?盘面找到?4)磁盘寻址←DMA请求←数据寄存器满YNNNCPU访存当前内存周期结束→DMA应答→读盘DMA接口访存读盘DMA接口访存CPU访存中断应答→←中断请求一批数据读写完毕←中断向量硬盘中断服务程序当前指令周期结束←DMA请求←数据寄存器满当前内存周期结束→DMA应答→CPU访存根据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。5.5.2DMA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。5.5.2DMA的工作过程5.5DMA方式5.5.1DMA的基本概念5.5.2DMA的工作过程5.5.3DMA的传送方式5.5.4DMA方式的接口主存CPU系统总线DMA接口高速I/O设备DMA接口高速I/O设备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。5.5.3DMA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。5.5.3DMA的传送方式主存工作时间CPU控制并使用主存DMA控制并使用主存t2、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。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。5.5.3DMA的传送方式主存工作时间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t3、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t5.5DMA方式5.5.1DMA的基本概念5.5.2DMA的工作过程5.5.3DMA的传送方式5.5.4DMA方式的接口主存CPU系统总线DMA接口高速I/O设备DMA接口高速I/O设备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)DMA传送结束时,向CPU发出中断申请。修正传送过程中的数据地址和长度;5.5.4DMA方式的接口——接口组成在程序查询和程序中断方式中,外设与主存之间的数据传送都是靠CPU执行程序完成的,而在DMA传送方式中,除初始和结束处理外,数据传送都是靠DMA接口实现的。输入:由DMA接口控制,将硬盘XX柱面XX盘面XX扇区的一块指定长度的数据写入到内存的某一区域。输出:由DMA接口控制,将内存的某区域一块指定长度的数据写入磁盘的某一固定位置。DMA接口必须包含的部件:(1)主存地址寄存器在预处理阶段,接收CPU发来的主存缓冲区首地址,它具有计数器功能,每次DMA传送后,寄存器内容自动修改,自动加/减量取决于一次传送数据的大小。5.5.4DMA方式的接口——接口组成(2)数据块长计数器在预处理阶段,接收CPU发来的传送数据块长。每次DMA传送后,计数器自动减1,直到数据块传送完毕,计数器为零,触发产生中断请求信号。(3)磁盘地址寄存器若外设为硬盘,必须设有