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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