计算机组成原理笔记第五章（5.6）

第六节 DMA方式

一、DMA方式的特点

DMA是直接存储器访问的意思。

1.DMA和程序中断两种方式的数据通路

图6.1 DMA和程序中断两种方式的数据通路

由图6.1所示，由于主存和DMA接口之间有一条数据通路，因此主存和设备交换信息时，不通过CPU，也不需要CPU暂停现行程序为设备服务，省去了保护现场和恢复现场，因此工作速度比程序中断方式的工作速度高。这一特点特别适合于高速I/O或辅存与主存之间的信息交换。因为高速I/O设备每次申请与主机交换信息时，都需要等待CPU做出中断响应后在进行，很可能因此丢失数据。

2.DMA与主存交换数据的三种方式

在DMA方式中，由于DMA接口与CPU共享主存，这就有可能出现两者争用主存的冲突，为了有效分时使用主存，通常DMA与主存交换数据时采用如下三种方法：

（1）停止CPU访问主存。这种方式中，实际上只要外部设备要和内存数据交换，那么一块数据交换过程中，从第一个数据开始CPU就放弃了总线控制权，放弃了对内存的访问权，把这些权都交给了DMA。适合大量数据传输。这种方式控制简单，但是CPU出于不工作状态或保持状态，未充分发挥CPU对主存的利用率。

（2）周期挪用（周期是指访存周期）。

DMA访问主存有三种可能：

①CPU此时不访问。那么就直接分配给DMA就可以了。

②CPU正在访存。DMA只能等待。

③CPU与DMA同时请求访存。此时CPU将总线控制权让给DMA。

图6.2 周期挪用示意图

    如图6.2所示。数据准备好了，DMA就会窃取一个或多个主存周期完成数据传输。在数据准备时候，CPU可以控制和使用主存。提高了利用率。

（3）DMA和CPU交替访问。实用性不强。

CPU工作周期分为C1和C2两段时间，C1专供DMA访存，C2专供CPU访存。这种方法不需要申请建立和归还总线的使用权。如图6.3所示。

图6.3 DMA与CPU交替访问示意图

二、DMA接口的功能和组成

1.DMA接口功能

（1）向CPU申请DMA传送

（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，修正传送过程中的数据地址和长度。

（5）DMA传送结束时，给出操作完成信号。

2.DMA接口的组成

图6.4 DMA接口的组成

DMA接口是一个黑盒子，根据功能可以分析其结构。要进行数据传输，CPU要告诉DMA接口传输的内存地址是什么，所以需要一个地址寄存器（AR），需要知道数据量，所以需要一个计数器（WC），假设传入内存或者从内存输出，假设是从低地址开始，每次传输的数据单位和编址单位一致，每完成一个数据输入或输出，就要对地址进行修改，进行+1。WC保存的是一个补码，每传输一次要+1，我们需要一个数据缓存器，即BR。另外我们还需要一个设备地址寄存器（DAR），用来设备选择电路使用，还用来对硬盘进行访问时，保存硬盘的磁道号扇区号等。AR把要访问的地址送给主存，通过数据线要给AR置值，设备地址也通过数据线。外部设备直接用BR相连。

输入输出需要DMA控制逻辑，用来内部协调，控制在给定时序发出给定信号。外部设备要向DMA控制逻辑DREQ，DMA控制逻辑给出应答DACK信号，DMA还得通过总线向CPU发出总线请求信号HRQ，CPU回复HLDA。DMA接口电路还有一个中断机构，用于数据传输完成后对后续工作进行处理的。

具体各部分功能如下：

（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传送数据前，必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，AR+1，直到一批数据传输完成。

（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，WC+1，直到计数器为0时，表示该批数据传送结束，于是DMA接口向CPU发送中断请求信号。

（3）数据缓冲寄存器（BR）。BR用于暂存每次传送的数据。

（4）DMA控制逻辑。DMA控制逻辑负责管理DMA的传送过程，由控制电路、时序电路和命令状态控制寄存器组成。

（5）中断机构。当一批数据交换完毕，由“溢出信号”通过终端机构向CPU提出中断请求，请求CPU作DMA操作的后续处理。

（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，如对硬盘进行访问时，保存硬盘的磁道号扇区号等。具体内容取决于设备的数据格式和地址的编址方式。

三、DMA的工作过程

1.DMA传送过程：预处理、数据传送、后处理

（1）预处理

通过几条输入输出指令预置如下信息：

①通知DMA控制逻辑传送方向（入/出）；

②设备地址àDMA的DAR；

③主存地址àDMA的AR；

④传送字数àDMA的WC。

（2）DMA传送过程示意

图6.5 数据传送流程

图6.5左侧是DMA传送过程，右侧是数据传送阶段的细化。结合图6.4可以描述一下数据输入传送过程：

①当设备准备好一个字时，发出选通信号，将该字读到DMA的BR中，表示BR“满”。

②与此同时，设备向DMA接口发请求（DREQ）。

③DMA接口向CPU申请总线控制权（HRQ）。

④CPU发回HLDA信号，表示允许将总线控制权交给DMA接口。

⑤将DMA主存地址寄存器中的主存地址送地址总线，并命令存储器写。

⑥通知设备已被授予一个DMA周期（DACK），并为交换下一个字做准备。

⑦将DMA数据缓冲寄存器的内容送数据总线。

⑧主存将数据总线上的信息写至地址总线指定的存储单元中。

⑨修改主存地址和字计数值。

⑩判断数据块是否传送结束，若未结束，继续传送；若已结束（WC溢出），则向CPU申请程序中断，标志数据块传送结束。

结合图6.4可以描述一下数据输出传送过程，如图6.6所示：

①当DMA数据缓冲寄存器已将输出数据送至I/O设备后，表示数据缓冲寄存器已“空”。

②设备向DMA接口发请求（DREQ）。

③DMA接口向CPU申请总线控制权（HRQ）。

④CPU发回HLDA信号，表示允许将总线控制权交给DMA接口。

⑤将DMA主存地址寄存器中的主存地址送地址总线，并命令存储器读。

⑥通知设备已被授予一个DMA周期（DACK），并为交换下一个字做准备。

⑦主存将相应地址单元的内容通过数据总线读入到DMA的数据缓冲寄存器中。

⑧将DMA数据缓冲寄存器的内容送到输出设备，若为字符设备，则需将其拆成字符输出。

⑨修改主存地址和字计数值。

⑩判断数据块是否传送结束，若未结束，继续传送；若已结束，则向CPU申请程序中断，标志数据块传送结束。

图6.6 输出过程演示图

（3）后处理——中断服务程序完成

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，包括：

①校验送入主存的数据是否正确；

②决定是否继续使用DMA传送其它数据块，若继续传送，则又要对DMA进行初始化，若不需要传送，则停止外设；

③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。

2.DMA接口与系统的连接方式

（1）具有公共请求线的DMA请求

图6.7 公共请求线的DMA请求

（2）独立的DMA请求

图6.8 独立的DMA请求

排队工作是在CPU内部完成。

3.DMA方式与程序中断方式的比较

四、DMA接口类型

1.选择型：在物理上连接多个设备，在逻辑上只允许连接一个设备。如图6.9所示。

图6.9 选择型接口

2.多路型：在物理上连接多个设备，在逻辑上允许连接多个设备同时工作（数据准备的时候），在真正数据传输的时候，只能一个设备工作。

图6.10 多路型接口

假设磁盘每隔30微秒提出数据请求，这30微秒包括数据传送和数据准备时间，磁带每隔45微秒提出一次DMA请求，打印机隔150微秒提出DMA请求，并假设真正数据传输是5微秒。一个多路型接口连接了这3个设备。

由于打印机是最早提出请求的，那么首先响应打印机请求，把5微秒时间给打印机数据传输，这个5秒结束后，磁盘和磁带同时发出请求，速度越高的设备优先级越高，所以优先响应磁盘的操作，用5微秒进行数据传输，响应完磁盘后响应磁带的请求。以此类推下去，这就是整个过程。

图6.11 多路型DMA接口的工作原理