第六节 DMA方式
一、DMA方式的特点
下图是DMA方式与程序中断方式两者数据通路的比较。
由图可见，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设备若每次申请与主机交换信息时，都要等待CPU作出中断响应后再交换，很可能因此使数据丢失。
此外，若出现高速I/O(通过DMA接口)和CPU同时访问主存，CPU必须将总线(如地址线、数据线)占有权让给DMA接口使用，即DMA采用周期窃取的方式占用一个存取周期。
在DMA方式中，由于DMA接口与CPU共享主存， 这就有可能会出现两者争用主存的冲突，为了有效地分时使用主存， DMA通常与主存交换数据时可采用如下三种方法。
1．停止CPU访问主存
当外设要求传送一批数据时，由DMA接口向CPU发一个停止信号，要求CPU放弃地址线、数据线和有关控制线的使用权。DMA接口获得总线控制权后，开始进行数据传送，在数据传送结束后，DMA接口通知CPU可以使用主存，并把总线控制权交回给CPU，下图(a)是该方式的时间示意图。
这种方式的优点是控制简单，适用于数据传输率很高的I/O设备实现成组数据的传送。缺点是DMA接口在访存时，CPU基本上处于不工作状态或保持原状态。而且即使I/O设备高速运行，但其两个数据之间的准备间隔时间也总大于一个存取周期，因此，CPU对主存的利用率并没得到充分的发挥。如软盘读一个8位二进制数大约需要32μs，而半导体存储器的存取周期大大小于1μs。为此在DMA接口中，一般设有一个小容量存储器(这种存储器是半导体芯片制作的)，使I/O设备首先与小容量存储器交换数据，然后由小容量存储器与主存交换数据，这便可减少DMA传送数据时占用总线的时间，即可减少CPU的暂停工作时间。
2．周期挪用(或周期窃取)
在这种方法中，每当I/O设备发出DMA请求时，I/O设备便挪用或窃取总线占用权一个或几个主存周期，而DMA不请求时，CPU仍继续访问主存。
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。图 (b)示意了DMA周期挪用的时间对应关系。
与CPU暂停访存的方式相比，它既实现了I/O传送，又较好地发挥了主存与CPU的效率，是一种广泛采用的方法。
应该指出，I/O设备每挪用一个主存周期都要申请总线控制权、建立总线控制权和归还总线控制级权。因此，尽管传送一个字对主存而言只占用一个主存周期，但对DMA接口而言，实质上要占2—5个主存周期(由逻辑线路的延迟特性而定)。因此周期挪用的方法比较适合于I/O设备的读写周期大于主存周期的情况。
3．DMA与CPU交替访问
这种方法适合于CPU的工作周期比主存存取周期长的情况。例如CPU的工作周期为1.2μs，主存的存取周期小于0.6μs，那么可将一个CPU周期分为Cl和C2两个分周期，其中Cl专供DMA访存，C2专供CPU访存，如图(c)所示。
这种方式不需要总线使用权的申请建立和归还过程，总线使用权是通过Cl和C2分别控制的。CPU与DMA接口各自有独立访存地址寄存器、数据寄存器和读写信号。实际上总线变成了在Cl和C2控制下的多路转换器，其总线控制权的转移几乎不需要什么时间，具有很高的DMA传送效率。在这种工作方式下，CPU既不停止主程序的运行也不进入等待状态，在CPU不知不觉中完成了DMA的数据传送，故又有“透明的DMA”方式之称，当然其相应的硬件逻辑变得更为复杂。
二、DMA接口的功能和组成
1．DMA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，故DMA接口又有DMA控制器之称。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。
2．DMA接口基本组成
最简单的DMA接口组成原理如下图所示。
它由以下几个逻辑部件所组成。
(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。
(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。
(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。
三、DMA的工作过程
1．DMA传送过程
DMA的数据传送过程分预处理、数据传送和后处理三个阶段。
(1)预处理。在DMA接口开始工作之前，CPU必须给它预置如下信息：
·给DMA控制逻辑指明数据传送方向是输入(主存写)还是输出(主存读)；
·向DMA设备地址寄存器送入设备号，并启动设备；
·向DMA主存地址寄存器送入交换数据的主存起始地址；
·对字计数器赋以交换数据的个数。
上述工作由CPU执行几条输入输出指令完成，即程序的初始化阶段。这些工作完成后，CPU继续执行原来的程序。
当外部设备准备好发送的数据(输入)或上次接受的数据已经处理完毕(输出)时，它便通过DMA接口向CPU提出占用总线的申请，若有多个DMA同时申请，则按轻重缓急由硬件排队判优逻辑决定优先等级。待设备得到主存总线的控制权后，数据的传送便由该DMA接口进行管理。
(2)数据传送。DMA方式是以数据块为单位传送的，以周期挪用的DMA方式为例，其数据传送的流程可用下图示意。
以数据输入为例，具体操作如下：
①从设备读入一个字到DMA的数据缓冲寄存器BR中，表示数据缓冲寄存器“满”(如果I/O设备是面向字符的，则一次读入一个字节，组装成一个字)；
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HLD信号，表示允许将总线控制权交给DMA接口使用；
⑤将DMA主存地址寄存器中的主存地址送地址总线；
⑥通知设备己被授予一个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命令存储器作写操作；
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，则继续传送；若已结束，(字计数器溢出)，则向CPU申请程序中断，标志数据块传送结束。
若为输出数据，则应完成以下操作：
①当DMA数据缓冲寄存器已将输出数据送至加设备后，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接口使用；
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判断数据块是否已传送完毕，若未完，继续传送；若已送完，则向CPU申请程序中断。
(3)后处理。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。
2．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。
上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。
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数据。
3．DMA小结
与程序中断方式相比，DMA方式有如下特点：
(1)从数据传送看，程序中断方式靠程序传送，DMA方式靠硬件传送。
(2)从CPU响应时间看，程序中断方式是在一条指令执行结束时响应，而 DMA方式可在指令周期内的任一存取周期结束时响应。
(3)程序中断方式有处理异常事件的能力，DMA方式没有这种能力，它主要用于大批数据的传送，如硬盘存取、图像处理、高速数据采集系统等，可提高数据吞吐量。
(4)程序中断方式要中断现行程序，故需保护现场，DMA方式不中断现行程序，无需保护现场。
(5)DMA的优先级比程序中断高。
四、DMA接口的类型
现代集成电路制造技术已将DMA接口制成芯片，通常有选择型和多路型两类。
1．选择型DMA接口
这种类型的DMA接口的主要特点是在物理上可连接多个设备，在逻辑上允许连接一个设备，即在某一个时间内，DMA接口只能为一个设备服务，关键是在预处理时将所选设备的设备号送入设备地址寄存器，下图是选择型DMA接口的逻辑框图，选择型DMA接口特别适用于数据传输率很高的设备。
2．多路型DMA接口
多路型DMA接口不仅在物理上可以连接多个设备，而且在逻辑上也允许多个设备同时工作，各个设备采用字节交叉的方式通过DMA接口进行数据传送。在多路型DMA接口中，为每个与它连接的设备部设置了一套寄存器，分别存放各自的传送参数。下图 (a)和(b)分别是链式多路型DMA接口的逻辑框图。这类接口特别适合于同时为多个数据传输率不十分高的设备服务。
下图是多路型DMA接口工作原理示意图。图中磁盘、磁带、打印机同时工作。磁盘、磁带、打印机分别每隔30μs、45μs、150μs向DMA接口发DMA请求，磁盘的优先级高于磁带，磁带的优先级高于打印机。
假设DMA接口完成一次DMA数据传送需5μs。由上图，打印机首先发请求，故DMA接口首先为打印机服务(T1)，接着磁盘、磁带同时又有DMA请求，DMA接口按优先级别，先响应磁盘请求(T2)，再响应磁带请求(T3)，每次DMA传送都是一个字节。这样，在90多μs的时间里，DMA接口为打打印机服务一次(T1)，为磁盘服务四次(T2 、T4 、T6 、T7)为磁带服务三次(T3 、T5 、T8)。可见DMA接口还有很多空闲时间，可再容纳更多的外部设备。
