计算机组成原理第八章输入输出系统（三）课件

8.3 DMA方式 8.3.1 DMA方式的基本概念 一、DMA方式的定义 v（请看P.286）：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。 二、DMA方式的特点 v优点：速度快； v缺点：硬件线路复杂。 三、DMA控制器的基本操作 v（请看P.286）： v外设发出DMA请求； vCPU响应请求交出总线控制权； vDMAC对内存寻址，对数据传送个数进行计 数，并执行数据传送操作； v向CPU报告DMA操作的结束交还总线控 制权。 v四、DMA操作中的软硬件分工 软件：负责数据传送前的准备工作，结束后 的处理工作； 硬件：负责数据传送。 v8.3.2 DMA传送方式 vCPU和DMAC访存冲突的裁决方式。 v常用的方式有以下三种： 一、停止CPU访问内存 外设要求传送一批数据时，由DMAC发请求信 号，要求CPU出让总线使用权；之后DMAC 独占内存进行批量的数据传送；一批数据传 送完毕后，DMAC才把总线控制权交还给 CPU。 控制简单，但CPU可能因无法访存而处于暂停 状态。指令Cache和数据Cache的作用。 内存工作 时间 CPU控制并 使用内存 DMA控制 并使用内存 CPU暂停访问内存的示意图 t 二、周期挪用（窃取） CPU按程序访问内存，一旦I/O设备有DMA请 求，则由DMAC挪用一个存取周期；也有总 线使用权的交换。 周期挪用时的两种情况：内存争用与否；有冲 突则DMA优先，但影响CPU效率 可以用指令预取的办法降低争访的几率。 既实现了I/O传送，又较好地发挥了CPU和内存 的效率。请求、响应及总线使用权频繁转换 会使效率下降。 内存工作 时间 CPU控制并 使用内存 DMA控制 并使用内存 周期挪用方式的示意图 t 三、DMA与CPU交替访问内存 vCPU和DMAC轮流（分时）使用总线，没有 使用权的申请、出让、归还这一类问题（透 明的DMA方式）；适用于CPU工作周期比内 存存取周期长得多的情况，以便在两次CPU 访问内存之间有一段空闲给DMAC使用。 v实际是将CPU工作周期一分为二，CPU和 DMA各DMA传送和CPU同时发挥最高效率， 但控制逻辑复杂。也存在资源浪费。 内存工作 时间 CPU控制并 使用内存 DMA控制 并使用内存 DMA与CPU交替访问的示意图 t v例1：解释周期挪用，分析周期挪用可能出现 的几种情况。 v解答：解释名词。 v周期挪用可能会出现三种情况： v（1）I/O设备有DMA请求时，CPU正在进行 自身的操作，并不需要访内； v（2）访内冲突I/O设备的DMA请求优先 ； v（3）I/O设备有DMA请求时，存储器正处于 “忙”（R/W）状态必须等CPU存取结 束后才能进行DMA访内。 8.3.3 基本的DMA控制器 一、DMA控制器的基本组成P.289图8.12 1、寄存器组：五个主要寄存器 （1）DMA传送的内存地址寄存器； （2）数据缓冲寄存器； （3）DMA传送的数据字数寄存器； （4）外围设备地址寄存器，存放I/O设备的设 备码或表示设备信息存储区的寻址信息； （5）控制与状态寄存器。 2、中断控制逻辑 3、DMA请求标志触发器 4、传输线 系统总线 内存CPU MAR MDR 中断机构 控制/状态逻辑 内存地址计数器 字计数器 数据缓冲寄存器 设备选择 0 1 DMA请求 标志 HOLD HLDA DMA响应 DMA请求 +1 +1 溢出信号 中断请求地址线 数据线 设备控制器 设 备 数据 一个字传送 结束信号 启动设备 简单的DMA控制器组成框图 二、DMA数据传送过程（周期挪用方式） v（参看P.290图8.13） DMA请求 DMA响应 发送内存地址 传送一个字数据 检测传送 是否结束？ 归还总线使用权 修改地址指针和字计数器 是 否 DMA传送数据的流程图 开始 传送前预处理 数据传送 传送后处理 结束 DMA传送 1、DMA传送前的预处理 vCPU用程序为DMA传送做准备（中断初 始化及）对DMAC的初始化： （1）设备地址DAR（设备地址寄存器） （2）内存中DMA缓冲区首地址内存地址 计数器 （3）传送数据的字数字计数器 （4）启动设备 2、DMA数据传送 vDMA控制器代替CPU管理I/O设备进行数据 传送：（以输入过程为例） （1）输入设备送一个字到DMA控制器的数 据缓冲寄存器，同时设备控制器以READY信 号置DMA控制器中DMA请求触发器为1； （2）CPU响应DMA请求并在CPU当前存储 周期结束后，由DMA占用下一个存储周期（ 叫做DMA周期）进行写操作：1） （内 存地址计数器）MAR；2）（接口数据缓 冲寄存器）MDR；3）发出“写内存”命 令； v（3）在DMA控制状态逻辑的控制下执行三 个操作： 存储 周期 存储器时序 DMA请求 CPU DMA 周期 热启动 1）（字计数器）+1字计数器； 2）清DMA请求标志触发器； 3） （内存地址计数器）+1内存地址计数 器，未传完转2（1）（发生总线使用权转 让），否则接下。 （4）传送结束由DMA控制器中的中断机构 发DMA中断请求。 3、DMA结束处理 CPU响应DMA的中断请求后，停止原运行程 序转去执行DMA中断服务程序以完成DMA 结束处理工作。 因此DMA接口应保留中断功能。 由该过程体会周期挪用方式每传一个字 的“附加操作”及透明DMA的优点。 有关的书后习题P.303 P.304 第4题、采用DMA方式传送数据时，每传送 一个数据就要占用一个（ ）的时间。 A. 指令周期 B. 机器周期 C. 存储周期 D. 总线周期 第12题、下列陈述中正确的是( )。 A. 在DMA周期内，CPU不能执行程序 B. 中断发生时，CPU首先执行入栈指令将程 序计数器内容保护起来 C. DMA传送方式中，DMA控制器每传送一 个数据就窃取一个指令周期 D. 输入输出操作的最终目的是要实现CPU与 外设之间的信息传输。 vP.304 第16题：比较通道、DMA、中断三种 基本I/O方式的异同点。 解答（DMA与中断的比较）： （1）实现I/O的方法不同； （2）CPU响应中断与响应DMA请求的时机 不同（下图）； 为什么作如此安排？ 指令周期 取指令 机器周期 取源操作数 机器周期 取目的操作 数机器周期 执行周期 DMA响应插入点 中断响应插入点 v（3）二者的优先权不同： DMA方式优先权 比中断方式高（实现方法）； v（4）CPU的利用率不同：DMA方式下CPU 与设备的并行程度比程序中断方式高； v（5）应用不同：DMA只是对数据传送进行 控制，而中断具有I/O之外的作用；且， DMA方式的实现也要借助于中断系统的功能 DMA传送结束的中断请求。 v8.3.4 选择型和多路型DMA控制器 v实际使用的DMAC v1、选择型DMA控制器 v物理上连接多个设备，而某一时间段内只能 为一个设备服务逻辑上连接一个设备。 内 存 CPU 字计数器 内存地址寄存器 数据缓冲寄存器 状态控制寄存器 时序电路 设备地址寄存器 设备1 设备2 设备n 系统总线 选 择 线 P.291图8.14 选择型DMA控制器 适合于连接高速设备， 以块方式传输。 v2、多路型DMA控制器 v（1）不仅物理上可连接多个外设，逻辑上也 允许这些外设同时工作 v有多少个连接的外设，DMAC内就有多少组 寄存器用于存放各自的传送参数（与选择型 DMAC硬件对比）；带判优逻辑； v（2）各设备以字节交叉方式通过DMAC进行 数据传送 v外设以“周期挪用”方式访问内存； v（3）又分为“链式多路DMAC”和“独立请 求方式多路DMAC” v图见P.292图8.15。自习。 v多路DMAC芯片例图见P.293图8.17。自习。 vIBM PC中8237的情况。 v多路型DMAC的例题 vEX1（书中P.291例3）： v图8.16中假设有磁盘、磁带、打印机三个设 备同时工作。磁盘以30s的间隔向控制器发 DMA请求，磁带以45s的间隔发DMA请求 ，打印机以120s的间隔发DMA请求。根据 传输率，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5s。若采用多路型 DMA控制器，请画出DMA控制器服务三个设 备的工作时空图。 磁盘 磁带 打印机 30 s30 s30 s 45s45s t t t 解答：DMAC的服务时空图如下 DMAC t 5 s T1T2T3T4 T5T6T7T8 其中，T1为打印机服务， T2 、T4、 T6、T7 为磁盘服务， T3、 T5、 T8为磁带服务。 Ti=5 s EX2：书后习题P.304第17题 用多路DMA控制器控制光盘、软盘、打印机三 个设备同时工作。光盘以20 s的间隔向控制 器发DMA请求，软盘以90 s的间隔向控制器 发DMA请求，打印机以180 s的间隔发DMA 请求。请画出多路DMA控制器的工作时空图 。 设DMAC每完成一次DMA传送需时3 s。 解答：该DMAC工作时空图如下。 t s 光盘 软盘 打印机 20 40 60 80 100 120 140 160 180 3 s 90 EX2的DMA控制器服务时空图 8.4 通道方式 8.4.1 通道的功能 一、功能 1、定义：一种具有特定功能的处理器，有自己 的指令和程序，专门负责数据I/O的控制与管 理。它与CPU分时使用主存，实现CPU内部 运算与I/O设备并行工作。 2、结构图以IBM4300系统为例，P.295图 8.19。 3、通道的基本功能请看P295。 二、CPU对通道的管理P.296。 三、通道对设备控制器的管理P.296。 8.4.2 通道的类型 一、选择通道 连接多个高速外设以成组方式与主