DMA与通道PPT演示文稿

1、第21讲 直接存储器存取(DMA)方式,1 DMA的基本概念 2 DMA传送方式 3 基本的DMA控制器 4 DMA和中断的区别,2,1、DMA的基本概念 DMA方式是指直接依靠硬件在主存与I/O设备之间进行直接数据传送，传送期间不需要CPU干预,应用 大批量数据采集、主存与I/O简单高速数据传送。如：磁 盘、光盘等。 特点 DMA 只需要占用系统总线，不切换程序、不用处理现场等一系列操作,3,DMA方式的五个特点,它使主存与CPU的固定联系脱钩，主存既可被CPU访问，又可被外设访问。 在数据块传送时，主存地址的确定，传送数据的计数等等都用硬件电路直接实现。 主存中要开辟专用缓冲区，及时供给和

2、接收外设的数据。 DMA传送速度快，CPU和外设并行工作，提高了系统的效率。 DMA在开始前和结束后要通过程序和中断方式进行预处理和后处理,4,2、常见的DMA数据传送方式 （1）CPU暂停方式(成组传送) 当外设要求传送一批数据，由DMAC发一个停止信号给CPU，CPU放弃对总线的控制权，并停止使用总线访问内存。 DMAC获得总线控制权以后，开始在内存和外设之间进行数据传送，在一批数据传送完毕后，DMAC把总线控制权交回给CPU，CPU就可以使用总线,5,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,优点,缺点：在DMAC访问阶段,6,因外设传送二个数据之

3、间的间隔一般大于内存的存储周期，因此，许多空闲的存储周期不能被CPU利用。 适用场合：数据传输率很高的设备进行成组数据传送。 （2）周期挪用(周期窃取) (单字传送) 当外设没有DMA请求，CPU按程序要求访问内存，一旦外设有DMA请求，则由外设挪用一个或几个内存周期。传送完一个数据后立即释放总线,7,I/O设备要求DMA传送会遇到三种情况： 一种是此时CPU不需访问主存(如CPU正在执行乘法指令，由于乘法指令执行时间较长，此时CPU不需访问主存)，故I/O设备访存与CPU不发生冲突。 第二种情况是I/O设备要求DMA传送时，CPU正在访存，此时必须待存取周期结束时刻，CPU才能将总线占有权让

4、出。 第三种情况是I/O设备要求访存时，CPU也要求访存，这就出现了访存冲突。此刻，I/O访存优先于CPU访存，因为I/O不立即访存就可能丢失数据，这时I/O要窃取一二个存取周期，意味着CPU在执行访存指令过程中插入了DMA请求，并挪用了一二个存取周期，使CPU延缓了一二个存取周期再访存,8,周期挪用（或周期窃取,优点： 实现了CPU和外设并行工作； 较好地发挥了主存和CPU的效率,9,缺点：外设每次挪用周期都要有申请总线控制权、建立总线控制权、归还总线控制权的过程，虽然传送一个数据只需一个主存周期，但DAMC一般要用25主存周期。 适用场合：外设读写周期大于内存周期的情况,3）DMA与CPU

5、交替访内 如果CPU的工作周期比内存的存取周期长得多，可以将一个CPU周期分为两个分周期，第一个分周期专供DMAC访内，第二个分周期专供CPU访内，从而实现DMAC与CPU交叉访内。 优点： DMA传送效率最高,10,DMA 与 CPU 交替访问,CPU 工作周期,所有指令执行过程中的一个基准时间,11,DMA接口的功能和组成,1DMA接口的功能利用DMA方式传送数据时，数据的传输过程完全由DMA接口电路控制。DMA接口应具有如下几个功能： (1) 向CPU申请DMA传送； (2) 在CPU允许DMA工作时，处理总线控制权的转交，避免因进入DMA工作而影响CPU正常活动或引起总线竞争 (3)在

6、DMA期间管理系统总线，控制数据传送； (4)确定数据传送的起始地址和数据长度，修正数据传送过程中的数据地址和数据长度。 (5)在数据块传送结束时，给出DMA操作完成的信号,12,2. DMA 接口组成,1,1,13,1)主存地址寄存器AR。AR用于存放主存中需要交换数据的地址。在DMA传送前，须通过程序将数据在主存中的首地址送到主存地址寄存器。在DMA传送过程中，每交换一次数据，将地址寄存器内容加1，直到一批数据传送完毕为止。 (2)字计数器WC。WC用于记录传送数据的总字数，通常以交换字数的补码值预置。在DMA传送过程中，每传送一个字，字计数器加1，直到计数器为0，即最高位产生进位时，表示

7、该批数据传送完毕。于是DMA接口向CPU发中断请求信号。 (3)数据缓冲寄存器BR。BR用于暂存每次传送的数据。通常DMA接口与主存之间采用字传送，而DMA与设备之间可能是字节或位传送。因此DMA接口中还可能包括有装配或拆卸字信息的硬件逻辑，如数据移位缓冲寄存器、字节计数器等,14,4)DMA控制逻辑。它用于负责管理DMA的传送过程，由控制电路、时序电路及命令状态控制寄存器等组成。每当设备准备好一个数据字(或一个字传送结束)，就向DMA接口提出申请(DREQ)，DMA控制逻辑便向CPU请求DMA服务，发出总线使用权的请求信号(HRQ)。待收到CPU发出的响应信号HLDA后，DMA控制逻辑便开始

8、负责管理DMA传送的全过程，包括对主存地址寄存器和字计数器的修改、识别总线地址、指定传送类型(输入或输出)以及通知设备已经被授予一个DMA周期(DACK)等,15,5)中断机构。当字计数器溢出(全“0”)时，表示一批数据交换完毕，由“溢出信号”通过中断机构向CPU提出中断请求，请求CPU作DMA操作的后处理。必须注意，这里的中断与上一节介绍的I/O中断的技术相同，但中断的目的不同，前面是为了数据的输入或输出，而这里是为了报告一批数据传送结束。它们是I/O系统中不同的中断事件。 (6)设备地址寄存器DAR。DAR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，如磁盘数据所在的区号、盘面号和

9、柱面号。具体内容取决于设备的数据格式和地址的编址方式,16,DMA传送过程,第一步： DMA接口的预置(初始化)（由软件实现） 数据传送之前，CPU将执行一段初始化程序，完成对DMA接口中各参数寄存器的初始值的设定。主要操作包括： 准备内存区 若是从外设输入数据，则进行内存缓冲区的申请，并对缓冲区进行初始化；若是输出到外设，则先在内存准备好数据,17,启动外设，然后CPU继续执行其他程序,设置传送参数 执行I/O指令，测试外设状态，对DMA接口设置各种参数： * 内存首址=地址寄存器 * 字计数值=字计数器 * 传送方向=控制寄存器 * 设备地址=设备地址寄存器,18,第二步：DMA数据传送（

10、由硬件实现） DMA接口数据传送过程如下： 当外设准备好数据（从外设取数），或准备好接收数据（向外设送数）时，就发“选通”信号，使数据送数据缓冲寄存器，同时DMA请求触发器置“1,DMA请求触发器向控制/状态端口发“Ready”信号，同时向DMA控制器发“DMA请求”信号,DMA接口接受到“DMA请求”信号后，就向CPU发“总线请求”信号,19,CPU完成现行机器周期后，响应DMA请求，向DMA接口发出“总线响应”信号。DMA接口接受到该信号后，向外设接口发 “DMA响应”信号，使DMA请求触发器复位。CPU浮动它的总线，让出总线控制权，由DMA接口控制总线,DMA接口给出内存地址，并在其读/

11、写线上发出“读”或“写”命令，随后在数据总线上给出数据,根据读写命令，将数据总线上的数据写入存储器中，或写入数据端口，并进行主存地址增量，字计数值减1。 若采用“CPU停止法”，则循环第6步，直到计数值为“0”。 若采用“周期挪用法”，则释放总线，下次数据传送时再按过程(1)到(6)进行,20,第三步：DMA结束处理 根据计数值为“0”，发出DMA结束信号送接口控制，产生DMA中断请求信号给CPU，当DMA的中断请求得到响应后，CPU停止源程序的执行，转去执行中断服务程序，做一些DMA的结束工作。它包括校验送入主存的数据是否正确；决定是否继续用DMA传送其他数据块，若继续传送，则又要对DMA接

12、口进行初始化，若不需要传送，则停止外设；测试在传送过程中是否发生错误，若出错，则转错误诊断及处理错误程序,21,DMA接口与系统的连接方式,DMA接口与系统的连接方式有两种。 下图为具有公共请求线的DMA请求方式，若干个DMA接口通过一条公用的DMA请求线向CPU申请总线控制权。CPU发出响应信号用链式查询方式通过DMA接口，首先选中的设备获得总线控制权，即可占用总线与主存传送信息,22,上图是独立的DMA请求方式，每一个DMA接口各有一对独立的DMA请求线和DMA响应线，它由CPU的优先级判别机构裁决首先响应哪个请求，并在响应线上发出响应信号，被获得响应信号的DMA接口使可控制总线与主存传送

13、数据,23,DMA 接口中控制传送的硬件逻辑称为DMA控制器。DMA控制器与接口的连接应考虑以下因素,DMA控制器与接口是相互分离, 还是合为一体,数据传送是经DMA控制器, 还是经接口直接与存储器相连,系统中有多个DMA控制器时, 采用公共DMA请求, 还是采用独立DMA请求方式,一个DMA控制器控制多个I/O设备时, 是采用选择型工作方式, 还是采用多路型工作方式,基于以上考虑的几种常见连接模式,24,1. 单通道DMA控制器,一个DMA控制器只连接一台I/O设备, 并通常将DMA控制器与接口合为一体, 传送的数据经由DMA控制器,25,2. 选择型DMA控制器,一个DMA控制器连接(控制

14、)多台I/O设备, 即: 多台I/O设备共享一个DMA控制器,一般采用DMA控制器与接口合为一体, 传送的数据经由DMA控制器,选择型DMA控制器一般采用成组传送方式, 分时为各设备服务,26,3. 多路型DMA控制器,当一个DMA控制器连接(控制)的多台I/O设备速度较慢时, 让多个外设同时工作, 以字或字节方式传送, 使多个外设轮流交叉使用系统总线进行DMA传送, 即为多路型DMA控制器,多路型DMA控制器一般采用与外设接口分离的连接方式, 数据传送不经过DMA控制器, 而是直接在内存与接口之间进行传送,DMA控制器只负责接收接口的请求信号, 并向CPU提出DMA请求, 在收到CPU的响应

15、信号后, 通知接口, DMA传送周期开始,DMA控制器与接口的连接关系如下图所示,27,多路型DMA与选择型DMA并无严格界限, 当以单字(或字节)方式传送, 各外设交叉占有总线时, 为典型的多路型DMA; 若按成组方式传送, 各设备分时占有总线, 即为选择性DMA,28,DMA和中断的区别,1、中断方式是程序切换，需要保护和恢复现场；而DMA方式除了开始和结尾时，不占用CPU的任何资源。 2、对中断请求的响应只能发生在每条指令执行完毕时；而对DMA请求的响应可以发生在每个机器周期结束时。 3、中断传送过程需要CPU的干预；而DMA传送过程不需要CPU的干预，故数据传送速率非常高，适合于高速外

16、设的成组数据传送。 4、DMA请求的优先级高于中断请求。 5、中断方式具有对异常事件的处理能力；而DMA方式仅局限于完成传送信息块的I/O操作,29,六、通道控制方式 1、基本知识 通道是实现I/O设备和主存之间直接交换数据的控制器。 （1）通道与DMAC的区别 DMAC是通过硬件控制逻辑实现对数据传送的控制 通道是通过执行通道程序实现对数据传送的控制 DMAC通常只控制一台或少数几台同类设备 通道可同时控制许多台同类或不同类的设备,30,2）通道控制方式的连接,通道承担数据的输入/输出控制，CPU负责数据处理，形成了通道与CPU分时使用内存的情况，大大提高了CPU与通道并行工作能力以及各个通

17、道之间、同一通道控制的各个设备之间的并行工作能力； 增减外部设备灵活； 通道有自己的通道指令、通道地址、通道程序和通道状态字等。通道程序完全独立于主机之外，在通道内执行,31,通道的种类,按通道独立于CPU的程度来分，通道分为结合型通道和独立型通道,按数据传送方式来分；通常将通道分为以下三种：字节多路通道、选择通道和成组多路通道,结合型通道在硬件上与CPU做在一起，而独立型通道则硬件上独立于CPU,32,1字节多路通道 字节多路通道采用字节交叉传送方式进行数据传送，适合于连接多个低速I/O设备(在20K字节/秒以下)，设备传送一个字节的时间相应较短，相邻字节之间数据准备时间较长,分时使用通道，

18、轮流传送数据，实现多台I/O设备间的并行，以提高通道利用率,字节多路通道由多个子通道构成，每个子通道并 行工作，各服务于一个设备控制器,每个子通道中包含：字符缓冲器、状态/控制寄存器以及通道参量（如：字节计数值、内存地址、）、主存单元的地址指针等,33,2选择通道 选择通道用于对高速设备进行控制；在一段时间内选择通道只执行一个设备的通道程序，采用“成组”方式传送,某个设备一旦被选中便独占通道，直到传送完毕才释放通道，所以传输速率高,选择通道可接多台同类设备，其数据宽度是可变的，通道中包含一个参数寄存器，用于记录I/O操作所需的通道参量,34,3数组多路通道 多台设备以定长数据块为单位分时使用传

19、输通路，轮流传送数据块。这种通道称为成组多路通道,既允许各子通道间并行工作，又以独占方式成组地连续传送数据，因而具有很高的传输率。用于控制多台同类高速设备,35,2、具有多种通道的计算机系统结构,36,1）使用多个通道的优点 可以克服因数据流量大而集中于某一通道所造成的拥塞现象； 可以实现对不同类型的外设分类管理。 （2）存储管理部件的主要任务 存储管理部件是主存的控制部件，其主要任务是根据事先确定的优先次序，决定下一周期由哪个部件使用存储总线访问主存。 （3）各部件访问主存的优先次序 通道与CPU同时要求访问主存，通道优先于CPU； 多个通道同时要求访问主存，选择通道和数组多路通道的优先级高

20、于字节多路通道,37,4）通道的功能 通道的基本功能是执行通道程序，实施外设与主存的数据传送，按I/O指令要求启动外设，向CPU报告中断等。 接受CPU的I/O指令，并按I/O指令的要求与指定的外设进行通信； 从主存选取属于该通道程序的通道指令，经译码后向设备控制器和外设发送各种命令； 实现外设与主存之间的数据传送，提供信息传送通路、装配和拆卸信息、提供数据存入主存的地址和传送数据的计数值,38,从外设获取设备的状态信息，形成并保存通道本身的状态信息，根据要求把这些信息送到主存的指定单元，供CPU使用； 将外设的中断请求和通道本身的中断请求按次序及时通知CPU。 (5)设备控制器的功能 从通道接受通道指令,控制外