计算机组成原理第八章-第4讲-DMA方式-课件

计算机组成原理第八章第4讲DMA方式8.4.1DMA方式的一般概念8.4.2DMA传送方式8.4.3DMA传送一个数据的过程2 2l l直直接接存存储储器器访访问问（D Di ir re ec ct t MMe emmo or ry y A Ac cc ce es ss s）D DMMA A方方式式是是为为了了在在主主存存储储器器与与I IOO设设备备间间高高速速交交换换批批量量数数据据而而设设置置的的。l l基基本本思思想想是是：通通过过硬硬件件控控制制实实现现主主存存与与I IOO设设备备间间的的直直接接数数据据传传送送，在在传传送送过过程程中中无无需需C CP PU U的的干干预预。数数据据传传送送是是在在D DMMA A控控制制器器控控制制下下进进行行的的，l l优优点点：完完全全硬硬件件实实现现，速速度度快快。有有利利于于发发挥挥C CP PU U的的效效率率。3 3l l过过程程描描述述：由由D DMMA A控控制制器器给给出出当当前前正正在在传传送送的的数数据据的的主主存存地地址址，并并统统计计传传送送数数据据的的个个数数以以确确定定一一组组数数据据的的传传送送是是否否已已结结束束。在在主主存存中中要要开开辟辟连连续续地地址址的的专专用用缓缓冲冲器器，用用来来提提供供或或接接收收传传送送的的数数据据。在在数数据据传传送送前前和和结结束束后后要要通通过过程程序序或或中中断断方方式式对对缓缓冲冲器器和和D DMMA A控控制制器器进进行行预预处处理理和和后后处处理理。4 4DMA基本操作：l l(1 1)从从外外围围设设备备发发出出D DMMA A请请求求；l l(2 2)C CP PU U响响应应请请求求，把把C CP PU U工工作作改改成成D DMMA A操操作作方方式式，D DMMA A控控制制器器从从C CP PU U接接管管总总线线的的控控制制；l l(3 3)由由D DMMA A控控制制器器对对内内存存寻寻址址，即即决决定定数数据据传传送送的的内内存存单单元元地地址址及及数数据据传传送送个个数数的的计计数数，并并执执行行数数据据传传送送的的操操作作；l l(4 4)向向C CP PU U报报告告D DMMA A操操作作的的结结束束。5 5思考：DMA正在完成I/O操作时，CPU在干什么？二者同时有访存需求，怎么办？6 61、停止CPU访问内存。l l主机响应主机响应DMADMA请求后，让出存储总线，直到一组数请求后，让出存储总线，直到一组数据传送完毕后，据传送完毕后，DMADMA控制器才把总线控制权交还给控制器才把总线控制权交还给CPUCPU。l l采用这种工作方式的采用这种工作方式的I IOO设备，在其接口中一般设设备，在其接口中一般设置有小容量存储器，置有小容量存储器，I IOO设备先与小容量存储器交设备先与小容量存储器交换数据，然后由小容量存储器与主机交换数据，这换数据，然后由小容量存储器与主机交换数据，这样可减少样可减少DMADMA传送占用存储总线的时间，也即减少传送占用存储总线的时间，也即减少了了CPUCPU暂停工作的时间。暂停工作的时间。7 7大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流8 8优点:控制流程简单。缺点:在DMA控制器I/O访内阶段，内存的效能没有充分发挥，相当一部分内存工作周期是空闲的。仅适用于：数据传输率很高的设备进行成组传送9 92、周期挪用方式DMA控制器与主存储器之间传送一个数据，占用一个内存周期，即CPU暂停访存工作一个周期，然后继续执行程序。1010I/O设备要求DMA传送时可能遇到两种情况：(1 1)C CP PU U不不需需要要访访内内，如如C CP PU U正正在在执执行行乘乘法法指指令令。由由于于乘乘法法指指令令执执行行时时间间较较长长，此此时时I I/OO访访内内与与C CP PU U访访内内没没有有冲冲突突，即即I I/OO设设备备挪挪用用一一二二个个内内存存周周期期对对C CP PU U执执行行程程序序没没有有任任何何影影响响。(2 2)C CP PU U也也要要求求访访内内时时，这这就就产产生生了了访访内内冲冲突突，在在这这种种情情况况下下I I/OO设设备备访访内内优优先先，因因为为I I/OO访访内内有有时时间间要要求求，前前一一个个I I/OO数数据据必必须须在在下下一一个个访访内内请请求求到到来来之之前前存存取取完完毕毕。显显然然，在在这这种种情情况况下下I I/OO 设设备备挪挪用用一一二二个个内内存存周周期期，意意味味着着C CP PU U延延缓缓了了对对指指令令的的执执行行，或或者者更更明明确确地地说说，在在C CP PU U执执行行访访内内指指令令的的过过程程中中插插入入D DMMA A请请求求，挪挪用用了了一一二二个个内内存存周周期期。1111优点：既实现了I/O传送，又较好地发挥了内存和CPU的效率缺点：每次传送都要申请总线控制权，建立总线控制权，归还总线控制权。适用于：I/O设备读写周期大于内存存储周期的情况1212停止CPU访存和周期挪用的区别l l前前者者：外外设设需需传传送送一一批批数数据据到到内内存存时时，D DMMA A独独占占总总线线、内内存存等等资资源源，一一直直到到该该任任务务完完成成l l后后者者：当当外外设设信信息息被被读读取取后后要要写写入入内内存存时时，才才申申请请总总线线、访访存存权权限限，完完成成写写入入，而而后后释释放放，等等到到下下批批数数据据被被读读出出时时，又又再再申申请请权权限限、资资源源，写写入入内内存存。13133、DMA和CPU交替访问内存工作方式l l如果CPU的工作周期比内存存取周期长很多，可以采用该种方法l l指令周期包含若干CPU周期，CPU周期中访内周期只占整个周期一部分(eg.C1)，另外一部分时间(eg.C2)可交由DMA访内，此时DMA与CPU并行工作。l l不需要总线控制权的申请、建立与归还。通过C1、C2分时控制，总线控制权的转移速度快，DMA效率高。1414CPU和DMA控制器各自有自己的访内地址寄存器、数据寄存器和读/写信号等控制寄存器。在C1周期中，如果DMA控制器有访内请求，可将地址、数据等信号送到总线上。在C2周期中，如CPU有访内请求，同样传送地址、数据等信号。1515优点：总线控制权的转移不需要时间，DMA传送高效缺点：硬件逻辑实现复杂适用于：CPU的工作周期比内存存取周期长很多的情况。16161、DMA基本构成(1)内存地址计数器用用于于存存放放内内存存中中要要交交换换的的数数据据的的地地址址。在在D DMMA A传传送送前前，须须通通过过程程序序将将数数据据在在内内存存中中的的起起始始位位置置(首首地地址址)送送到到内内存存地地址址计计数数器器。而而当当D DMMA A传传送送时时，每每交交换换一一次次数数据据，将将地地址址计计数数器器加加“1 1”，从从而而以以增增量量方方式式给给出出内内存存中中要要交交换换的的一一批批数数据据的的地地址址。1717(2)字计数器用于记录传送数据块的长度(多少字数)。其内容也是在数据传送之前由程序预置，交换的字数通常以补码形式表示。在DMA传送时，每传送一个字，字计数器就加“1”，当计数器溢出即最高位产生进位时，表示这批数据传送完毕，于是引起DMA控制器向CPU发中断信号。1818(3 3)数数据据缓缓冲冲寄寄存存器器 用用于于暂暂存存每每次次传传送送的的数数据据(一一个个字字)。当当输输入入时时，由由设设备备(如如磁磁盘盘)送送往往数数据据缓缓冲冲寄寄存存器器，再再由由缓缓冲冲寄寄存存器器通通过过数数据据总总线线送送到到内内存存。反反之之，输输出出时时，由由内内存存通通过过数数据据总总线线送送到到数数据据缓缓冲冲寄寄存存器器，然然后后再再送送到到设设备备。1919(4 4)“D DMMA A请请求求”标标志志 每每当当设设备备准准备备好好一一个个数数据据字字后后给给出出一一个个控控制制信信号号，使使“D DMMA A请请求求”标标志志置置“1 1”。该该标标志志置置位位后后向向“控控制制/状状态态”逻逻辑辑发发出出D DMMA A请请求求，后后者者又又向向C CP PU U发发出出总总线线使使用用权权的的请请求求(H HOOL LD D)，C CP PU U响响应应此此请请求求后后发发回回响响应应信信号号 H HL LD DA A，“控控制制/状状态态”逻逻辑辑接接收收此此信信号号后后发发出出D DMMA A响响应应信信号号，使使“D DMMA A请请求求”标标志志复复位位，为为交交换换下下一一个个字字做做好好准准备备。2020(5)“控制/状态”逻辑由控制和时序电路以及状态标志等组成，用于修改内存地址计数器和字计数器，指定传送类型(输入或输出)，并对“DMA请求”信号和CPU响应信号进行协调和同步。2121(6 6)中中断断机机构构 当当字字计计数数器器溢溢出出时时(全全0 0)，意意味味着着一一组组数数据据交交换换完完毕毕，由由溢溢出出信信号号触触发发中中断断机机构构，向向C CP PU U提提出出中中断断报报告告。这这里里的的中中断断与与上上一一节节介介绍绍的的I I/OO中中断断所所采采用用的的技技术术相相同同，但但中中断断的的目目的的不不同同，前前面面是是为为了了数数据据的的输输入入或或输输出出，而而这这里里是是为为了了报报告告一一组组数数据据传传送送结结束束。因因此此它它们们是是I I/OO系系统统中中不不同同的的中中断断事事件件。22222、传送过程当外设有当外设有DMADMA请求时，通常请求时，通常CPUCPU在本机器在本机器周期结束后，响应周期结束后，响应DMADMA请求。请求。传送一个数据块可以分为三个阶段：传送一个数据块可以分为三个阶段：-传送前预处理传送前预处理-正式传送正式传送-传送后处理传送后处理2323预处理阶段：l l第一阶段是进行初始化，启动设备、测试第一阶段是进行初始化，启动设备、测试设备。设备。CPUCPU通过程序通过程序I IOO的方式给的方式给DMADMA控制器预置初值，取状态和送传送需要的控制器预置初值，取状态和送传送需要的有关参数。其中包括内存地址计数器和字有关参数。其中包括内存地址计数器和字计数器的初值。计数器的初值。2424正式传送阶段：l l由由DMADMA控制器控制外设与主存之间的数据交换。控制器控制外设与主存之间的数据交换。2525正式传送阶段详解（停止CPU访问内存方式）2626传送后处理阶段：l l第三阶段即第三阶段即CPUCPU中断原程序后进行后处理。若中断原程序后进行后处理。若需要继续交换数据，则又要对需要继续交换数据，则又要对DMADMA进行初始化；进行初始化；若不需要交换数据，则停止外设；若为出错，若不需要交换数据，则停止外设；若为出错，则转错误诊断及处理程序。则转错误诊断及处理程序。2727思考：如果有多个设备提出DMA传送请求，该怎么处置？来看8.4.4选择型、多路型DMA控制器28281.选择型DMA控制器选择型DMA控制器在物理上可以连接多个设备，而在逻辑上只允许连接一个设备。在某一段时间内只能为一个设备服务。2929要点：在第一阶段要给出所选择的设备号3030优点：只增加少量硬件达到了为多个外围设备服务的目的缺点：同一时刻不能为多个设备服务适用于：数据传输速率很高，接近内存访问速率的设备。31312.多路型DMA控制器l l多多路路型型D DMMA A不不仅仅在在物物理理上上可可以以连连接接多多个个外外围围设设备备，而而且且在在逻逻辑辑上上也也允允许许这这些些外外围围设设备备同同时时工工作作，各各设设备备以以字字节节交交叉叉方方式式通通过过D DMMA A控控制制器器进进行行数数据据传传送送。l l字字节节交交叉叉：每每个个设设备备的的每每个个字字轮轮流流使使用用D DMMA A传传送送l l连连接接示示意意图图如如下下页页32323333优点：同时服务多个外设缺点：结构复杂适用于：多个慢速外设3434典型DMA芯片3535例3下图中假设有磁盘、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150s间隔发DMA请求。根据传输速率，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间图。36363737由图看出，T1间隔中控制器首先为打印机服务，因为此时只有打印机有请求。T2间隔前沿磁盘、磁带同时有请求，首先为优先权高的磁盘服务，然后为磁带服务，每次服务传送一个字节。在120s时间阶段中，为打印机服务只有一次(T1)，为磁盘服务四次(T2，T4，T6，T7)，为磁带服务三次(T3，T5，T8)。从图上看到，在这种情况下DMA尚有空闲时间，说明控制器还可以容纳更多设备。3838通道的基本概念l l通通道道：是是计计算算机机系系统统中中代代替替C CP PU U管管理理控控制制外外设设的的独独立立部部件件，是是一一种种能能执执行行有有限限I IOO指指令令集集合合（即即通通道道命命令令）的的I IOO处处理理机机。l lC CP PU U将将传传输输控控制制功功能能交交由由通通道道处处理理，自自己己专专注注于于数数据据处处理理l lC CP PU U与与通通道道分分时时使使用用内内存存，实实现现并并行行3939在通道控制方式中，一个主机可以连接多个通道。每个通道又可连接多台IO设备，这些设备可具有不同速度，可以是不同种类。这种输入输出系统增强了主机与通道操作的并行能力以及各通道之间、同一通道的各设备之间的并行操作能力。同时也为用户提供了增减外围设备的灵活性。4040通道结构图：l l系系统统总总线线l lI I/OO总总线线4141存储管理部件：决定下一个存储周期有哪个部件使用系统总线访问存储器通道权限优先于CPU选择型通道优先级高于多路型通道l l选选择择性性通通道道连连接接高高速速设设备备l l多多路路型型通通道道连连接接低低速速设设备备4242通道方式下，多使用4级连接方式：主机通道IO接口（设备控制器）外围设备。在CPU启动通道后，通道自动地去内存取出通道指令并执行指令。直到数据交换过程结束向CPU发出中断请求，进行通道结束处理工作。4343基本功能是：执行通道指令，组织外围设备和内存进行数据传输，按I/O指令要求启动外围设备，向CPU报告中断等，具体有以下五项任务：l l(1)(1)接接受受CPUCPU的的I/OI/O指指令令，按按指指令令要要求求与与指指定定的外围设备进行通信。的外围设备进行通信。l l(2)(2)从从内内存存选选取取属属于于该该通通道道程程序序的的通通道道指指令令，经译码后向设备控制器和设备发送各种命令。经译码后向设备控制器和设备发送各种命令。4444l l(3 3)组组织织外外围围设设备备和和内内存存之之间间进进行行数数据据传传送送，并并根根据据需需要要提提供供数数据据缓缓存存的的空空间间，以以及及提提供供数数据据存存入入内内存存的的地地址址和和传传送送的的数数据据量量。l l(4 4)从从外外围围设设备备得得到到设设备备的的状状态态信信息息，形形成成并并保保存存通通道道本本身身的的状状态态信信息息，根根据据要要求求将将这这些些状状态态信信息息送送到到内内存存的的指指定定单单元元，供供C CP PU U使使用用。l l(5 5)将将外外围围设设备备的的中中断断请请求求和和通通道道本本身身的的中中断断请请求求，按按次次序序及及时时报报告告C CP PU U。4545通道工作过程主要分为如下三步进行：1 1在用户程序中使用访管指令进入管理程在用户程序中使用访管指令进入管理程序，由序，由CPUCPU通过管理程序组织一个通道通过管理程序组织一个通道程序，并启动通道。程序，并启动通道。2 2通道处理机执行通道处理机执行CPUCPU为它组织的通道为它组织的通道程序完成指定的数据输入输出工作程序完成指定的数据输入输出工作 3 3通道程序结束后向通道程序结束后向CPUCPU发中断请求。发中断请求。CPUCPU响应这个中断请求后，第二次进入响应这个中断请求后，第二次进入操作系统，调用管理程序对输入输出中操作系统，调用管理程序对输入输出中断请求进行处理。断请求进行处理。4646CPU对通道的管理：l lC CP PU U执执行行I I/OO指指令令l l处处理理来来自自通通道道的的中中断断 数数据据传传送送结结束束 故故障障管态：CPU运行操作系统管理程序目态：CPU运行目标程序I/O指令的都是管态指令4747