哈工大计算机组成原理课程
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大纲：

输入输出系统下（二）——DMA（直接存储器访问）方式

一、DMA方式的特点

1. DMA和程序中断两种方式的数据通路

• 中断方式需要将数据先暂时寄存在CPU的某一个寄存器中，仍然需要CPU的介入
• DMA方式则是通过DMA接口使得IO设备直接和主存进行数据传输，而不通过CPU
  

2. DMA与主存交换数据的三种方式

1. 停止CPU访问主存

• 在数据交换的过程中，CPU就放弃了对总线的控制权和对主存的访问权，总线的控制权和对主存的访问权被交给了DMA接口。所以控制简单，适合大量的数据进行传输
• CPU处于不工作状态或保持状态， 但是在数据传输过程中，如果CPU内的指令缓冲器中有指令，或指令被取入到Cache，CPU可以继续工作，只要这期间不访问主存即可；没有指令就保持状态
• 没有充分发挥CPU对主存的利用率

2. 周期挪用（周期窃取）

• 指的是访存周期
• 如果DMA准备好了数据传输，就通过申请建立总线使用期，占用一个或几个内存的访问周期，完成数据的传输；
• 在DMA没有准备好，DMA接口会放弃总线使用权、内存访问权
• DMA访问内存的3种可能
  • CPU此时不访存：这时，总线使用权、内存访问权就可以直接给DMA
  • CPU正在访存：DMA等待
  • CPU与DMA同时请求访存：DMA优先，CPU放弃，因为DMA连接的是高速设备，不及时响应数据可能会流失
• 相比来说，主存的利用率提高了，“内存墙”

3. DMA与CPU交替访问
   不太实用
   速度较快，不需要建立申请权
   

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的长度和地址
5. DMA传送结束后，给出操作完成信号

2. DMA接口组成

• 假设通过单总线的方式，DMA要和主存、CPU交互
• AR：DMA接口要知道传输数据在主存中的地址，要有一个地址寄存器AR
• WC：要知道传输的数据量，需要一个计数器WC（Word Counter，一个字一个字地传输）进行传输的数据量的计数
• 假设传输数据时，是从低地址开始，每次传输的数据单位和编址单位相同，每完成一个数据的输入或输出，需要对地址寄存器AR进行修改，+1；WC字数计数器，也要+1
• BR：还要有数据缓冲区BR，传输的数据要暂存到这里
• DAR：设备地址寄存器DAR：提供给设备选择电路使用，看这次访问的设备是不是当前这个DMA当前连接的设备，把这次访问的设备的地址保存到DAR中；对硬盘进行访问，还可以保存磁道、扇区号等
• AR通过地址线把要访问的内存地址传输给主存，DMA接管了总线权。AR、WC、DAR的值通过数据线进行设置，传输的数据也通过数据线传输给BR，再传输给外部设备
• DMA控制逻辑：输入输出过程要由DMA控制逻辑控制：
  • 外部设备要使用DMA来传输数据，要向它发出请求信号，它还要给外部设备一个应答信号DACK；
  • DMA要想使用总线，占用主存，要向CPU发出总线使用的请求信号HRQ，CPU给出应答信号HLDA
• 中断机构：用于数据传输完成后对后续工作进行处理，WC一旦变成0，表示数据传输结束，WC会向中断机构发信号，给里面的中断请求触发器置为1，中断机构向CPU发出中断请求，再由CPU完成数据传输完之后的处理工作
  

三、DMA的工作过程

1. DMA传送过程

1. 预处理
   通过几条输入输出指令预设置：
   • 通知DMA控制逻辑传送方向（输入/输出）
   • 设备地址——>DMA 的DAR
   • 主存地址——>DMA的AR
   • 传送字数——>DMA的WC
2. 数据传送
   数据传送过程（输入）：
   

数据传送过程（输出）：

3. 后处理

• 校验送入主存的数据是否正确
• 是否继续使用DMA进行数据传送
• 传送过程是否正确，错误则转诊断程序

由中断服务程序完成

流程：

2. DMA接口与系统的连接方式

1. 具有公共请求线的DMA请求（与总线仲裁的串行连接方法相似）

• DMA接口通过地址线和数据线与主存相连，同时所有的DMA接口共享一条DMA请求线，这条请求线是输送给CPU的
• 进行DMA响应时，各个DMA接口也是有优先级的。CPU通过一条查询线一个一个接口的进行查询，距离CPU近的优先级就高
  

2. 独立的DMA请求（类似总线仲裁的独立请求方式）

• 每一个DMA接口和地址线和数据线进行连接
• 每一个DMA接口都有独立的DMA请求信号和DMA响应信号，排队工作在CPU内部完成

3. DMA方式和程序中断方式的比较

DMA直接和主存交互，一般连接高速设备，优先级高

四、DMA接口的类型

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
   

2. 多路型
   物理上连接多个设备
   逻辑上允许连接多个设备同时工作

   但数据传输时也只能有一个设备与内存进行数据传输
   在数据准备阶段，可以有多个设备同时进行数据准备

• 通道是一种小型的DMA接口，一个通道包含若干个子通道，每一个子通道都有主存地址寄存器、设备地址寄存器、字计数器，这些子通道可以控制多个设备。
• 设备进行数据传输时，CPU执行到输入输出指令，要控制某个设备进行输入输出，就对相应的子通道的寄存器进行设置，设置完之后，如果碰到下一个输入输出指令，这俩设备使用的是不同的子通道，就可以对另一个子通道进行设置。
• 多个外部设备可以并行的进行数据准备，准备好了，通过子通道向通道提出数据传输请求，不同设备的数据传输就是串行进行的
• 多路型DMA接口的工作原理：
  通道虽然连接了多个设备，但仍然有很多时间是没有用上的，还可以连接更多的设备。
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