计算机组成原理输入输出系统5
2018-02-10 14:07
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DMA控制方式
程序中断方式交换数据时，还是有CPU的介入从而影响了整机的效率，而DMA方式则不需要CPU的介入，只需要CPU暂时让出总线的使用权（采用周期窃取时，占用一个存取周期），可提高整机的运行效率，特别适合速度快的设备(此类设备时间过长数据容易丢失)
使用DMA方式传送数据时，CPU可DMA接口电路可能出现争用内存（同一时刻只能被一方使用），为了有效分时使用内存，在交换数据时采用以下三种方法：
（1）停止CPU访问内存
由DMA接口向CPU发出停止信号，CPU交出总线使用权并停止工作，DMA接口接管总线使用权并开始传送数据，数据传送完毕后通知CPU传送完毕并交出总线使用权。缺点：DMA接口访问内存时，CPU处于不工作状态且数据的准备间隔大于一个存取周期（设备的速度跟不上内存的速度，可在DMA接口中设置缓冲来缓解），导致CPU对内存的利用率没有得到充分的发挥。
（2）周期挪用（周期窃取）
当发出请求时，设备挪用或窃取总线使用权一个或几个存储周期。
若发出请求时CPU正在访存，则等待存取周期结束CPU才能交出总线使用权。
若设备与CPU同时访存，则设备优先CPU访存（设备容易丢失数据），在CPU访存指令中插入DMA请求并窃取一个或几个存取周期，CPU延迟一个或几个存取周期。
该方式I/O设备每窃取一个存取周期都需要申请，建立和归还总线控制权会浪费时间，适合设备存取周期大于内存存取周期的情况。
（3）DMA接口和CPU交替访问内存
适合CPU周期(机器周期)大于内存存取周期的情况，因为在一个机器周期里有些时刻无需访存，在这些时间里可交由DMA接口访存。此方式总线的控制权是事先按时间分配好的，无需申请建立与归还，缺点是硬件逻辑更为复杂。
DMA接口的功能和组成
功能：
1 向CPU发出DMA请求
2 在CPU同意后，处理总线使用权的转交并在DMA期间管理总线，控制数据传送
3 确定数据传送的起始地址和数据长度，修正传送过程中的数据地址和数据长度
4 传送完成时，给出DMA操作完成信号
组成：
内存地址寄存器：存放内存中需要交换数据的地址，在传送前通过程序将数据在内存中的首地址送至该寄存器，传送过程中每交换一次数据将地址寄存器内容+1，直到一批数据传送完毕为止。
字计数器：纪录传送数据的总字数，当为0时，表示一批数据传送完毕（DMA传送已经开始），传送完毕后由DMA接口向CPU发出中断请求。
数据缓冲寄存器：字面意思,注意数据格式的转换。
DMA控制逻辑：管理传送过程，当设备准备就绪（设备已向接口中的数据寄存器传
a611
送玩数据），设备向DMA接口提出申请，再由DMA接口向CPU请求DMA服务，发出总线使用权的请求信号，当收到来自CPU的响应信号后，控制逻辑便负责管理传送的全过程，包括内存地址寄存器和字计数器的修改等。
中断机构：当字计数器为0时，表示数据传送完毕并发出"溢出信号"通过中断机构向CPU发出中断请求，由CPU作DMA传送的后续处理
设备地址寄存器：保存设备码或信息的地址（格式随设备的不同而不同）。
DMA工作过程
数据传送过程分为以下三个阶段：
（1） 预处理
CPU会在接口工作前为DMA接口预置如下信息：
为DMA控制逻辑指明方向为输入或者输出
向DMA内存地址寄存器中送入交换数据的内存起始地址
将设备号送至DMA接口中的设备地址寄存器
设置字计数器的个数
当设备准备好数据或者上次接受的数据处理完毕时可通过DMA接口向CPU提出总线申请
（2）数据传送
以输入为列，具体操作如下：
1.当设备准备好数据时，即数据缓冲寄存器“满”
2.同时设备向DMA控制逻辑提出总线申请
3.DMA控制逻辑向CPU提出总线请求
4.CPU发回信号，表示允许将总线控制权交由DMA接口
5.将内存地址寄存器中的内容送至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，并为下一个字做好准备
7.将数据寄存器中的内容送至相应的存储单元
8.修改内存地址和计数器
9.判断是否传送结束，若已结束则向CPU申请程序中断，标志数据块传送结束
（3）后处理
CPU响应中断停止原程序的执行转去执行中断服务程序，检验传送数据是否正确，传送过程是否发生错误等
DMA接口与系统的连接方式
公共请求线方式：DMA接口通过一组公共请求线向CPU请求总线控制权，CPU通过链式查询方式授予权限
独立请求方式：每个接口具有独立的请求线和响应线，CPU通过判别结构选择
与程序中断方式相比，DMA有如下特点：
中断方式通过程序传送数据，DMA方式通过硬件传送数据
中断方式是在一条指令执行结束时被CPU响应，而DMA方式可在指令周期内的任一存取周期结束时响应
中断方式有处理异常的能力DMA没有，DMA方式主要用于大批数据的传送
DMA方式优先级更高
DMA接口的类型
选择型DMA接口：硬件上一个DMA接口可连接多个设备，逻辑上只能连接一个设备，适合用于数据传输率很高的设备
多路型DMA接口：硬件上一个DMA接口可连接多个设备，逻辑上也能连接多个设备，设备通过字节交叉的方式通过DMA接口进行数据传送，适合同时为多个速度传输率不高的设备服务
程序中断方式交换数据时，还是有CPU的介入从而影响了整机的效率，而DMA方式则不需要CPU的介入，只需要CPU暂时让出总线的使用权（采用周期窃取时，占用一个存取周期），可提高整机的运行效率，特别适合速度快的设备(此类设备时间过长数据容易丢失)
使用DMA方式传送数据时，CPU可DMA接口电路可能出现争用内存（同一时刻只能被一方使用），为了有效分时使用内存，在交换数据时采用以下三种方法：
（1）停止CPU访问内存
由DMA接口向CPU发出停止信号，CPU交出总线使用权并停止工作，DMA接口接管总线使用权并开始传送数据，数据传送完毕后通知CPU传送完毕并交出总线使用权。缺点：DMA接口访问内存时，CPU处于不工作状态且数据的准备间隔大于一个存取周期（设备的速度跟不上内存的速度，可在DMA接口中设置缓冲来缓解），导致CPU对内存的利用率没有得到充分的发挥。
（2）周期挪用（周期窃取）
当发出请求时，设备挪用或窃取总线使用权一个或几个存储周期。
若发出请求时CPU正在访存，则等待存取周期结束CPU才能交出总线使用权。
若设备与CPU同时访存，则设备优先CPU访存（设备容易丢失数据），在CPU访存指令中插入DMA请求并窃取一个或几个存取周期，CPU延迟一个或几个存取周期。
该方式I/O设备每窃取一个存取周期都需要申请，建立和归还总线控制权会浪费时间，适合设备存取周期大于内存存取周期的情况。
（3）DMA接口和CPU交替访问内存
适合CPU周期(机器周期)大于内存存取周期的情况，因为在一个机器周期里有些时刻无需访存，在这些时间里可交由DMA接口访存。此方式总线的控制权是事先按时间分配好的，无需申请建立与归还，缺点是硬件逻辑更为复杂。
DMA接口的功能和组成
功能：
1 向CPU发出DMA请求
2 在CPU同意后，处理总线使用权的转交并在DMA期间管理总线，控制数据传送
3 确定数据传送的起始地址和数据长度，修正传送过程中的数据地址和数据长度
4 传送完成时，给出DMA操作完成信号
组成：
内存地址寄存器：存放内存中需要交换数据的地址，在传送前通过程序将数据在内存中的首地址送至该寄存器，传送过程中每交换一次数据将地址寄存器内容+1，直到一批数据传送完毕为止。
字计数器：纪录传送数据的总字数，当为0时，表示一批数据传送完毕（DMA传送已经开始），传送完毕后由DMA接口向CPU发出中断请求。
数据缓冲寄存器：字面意思,注意数据格式的转换。
DMA控制逻辑：管理传送过程，当设备准备就绪（设备已向接口中的数据寄存器传
a611
送玩数据），设备向DMA接口提出申请，再由DMA接口向CPU请求DMA服务，发出总线使用权的请求信号，当收到来自CPU的响应信号后，控制逻辑便负责管理传送的全过程，包括内存地址寄存器和字计数器的修改等。
中断机构：当字计数器为0时，表示数据传送完毕并发出"溢出信号"通过中断机构向CPU发出中断请求，由CPU作DMA传送的后续处理
设备地址寄存器：保存设备码或信息的地址（格式随设备的不同而不同）。
DMA工作过程
数据传送过程分为以下三个阶段：
（1） 预处理
CPU会在接口工作前为DMA接口预置如下信息：
为DMA控制逻辑指明方向为输入或者输出
向DMA内存地址寄存器中送入交换数据的内存起始地址
将设备号送至DMA接口中的设备地址寄存器
设置字计数器的个数
当设备准备好数据或者上次接受的数据处理完毕时可通过DMA接口向CPU提出总线申请
（2）数据传送
以输入为列，具体操作如下：
1.当设备准备好数据时，即数据缓冲寄存器“满”
2.同时设备向DMA控制逻辑提出总线申请
3.DMA控制逻辑向CPU提出总线请求
4.CPU发回信号，表示允许将总线控制权交由DMA接口
5.将内存地址寄存器中的内容送至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，并为下一个字做好准备
7.将数据寄存器中的内容送至相应的存储单元
8.修改内存地址和计数器
9.判断是否传送结束，若已结束则向CPU申请程序中断，标志数据块传送结束
（3）后处理
CPU响应中断停止原程序的执行转去执行中断服务程序，检验传送数据是否正确，传送过程是否发生错误等
DMA接口与系统的连接方式
公共请求线方式：DMA接口通过一组公共请求线向CPU请求总线控制权，CPU通过链式查询方式授予权限
独立请求方式：每个接口具有独立的请求线和响应线，CPU通过判别结构选择
与程序中断方式相比，DMA有如下特点：
中断方式通过程序传送数据，DMA方式通过硬件传送数据
中断方式是在一条指令执行结束时被CPU响应，而DMA方式可在指令周期内的任一存取周期结束时响应
中断方式有处理异常的能力DMA没有，DMA方式主要用于大批数据的传送
DMA方式优先级更高
DMA接口的类型
选择型DMA接口：硬件上一个DMA接口可连接多个设备，逻辑上只能连接一个设备，适合用于数据传输率很高的设备
多路型DMA接口：硬件上一个DMA接口可连接多个设备，逻辑上也能连接多个设备，设备通过字节交叉的方式通过DMA接口进行数据传送，适合同时为多个速度传输率不高的设备服务
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