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26考研——输入/输出系统_I/O 方式_DMA 方式（7）

news 来源：原创 2025/5/15 23:19:01

408答疑

文章目录

三、I/O 方式
- DMA 方式
- - DMA 方式的特点
  - DMA 控制器的组成
  - DMA 的传送方式
  - - 停止 CPU 访存
    - 周期挪用
    - DMA 与 CPU 交替访存
  - 示例分析
  - DMA 的传送过程
- DMA 方式和中断方式的区别
四、参考资料
- 鲍鱼科技课件
- 26王道考研书

三、I/O 方式

DMA 方式

DMA 方式是一种完全由硬件进行成组信息传送的控制方式，它具有程序中断方式的优点，即在数据准备阶段，CPU 与外设并行工作。

DMA 方式在外设与内存之间开辟了一条“直接数据通路”，信息传送不再经过 CPU，降低了 CPU 在传送数据时的开销，因此称为直接存储器存取方式。
由于数据传送不经过 CPU，因此不需要保护、恢复 CPU 现场等繁琐操作。
这种方式适用于磁盘、显卡、声卡、网卡等高速设备大批量数据的传送，它的硬件开销比较大。
在 DMA 方式中，中断的作用仅限于故障和正常传送结束时的处理。

DMA 方式的特点

主存和 DMA 接口之间有一条直接数据通路。由于 DMA 方式传送数据不需要经过 CPU，因此不必中断现行程序，I/O 与主机并行工作，程序和传送并行工作。

它使主存与 CPU 的固定联系脱钩，主存既可被 CPU 访问，又可被外设访问。
在数据块传送时，主存地址的确定、传送数据的计数等都由硬件电路直接实现。
主存中要开辟专用缓冲区，以及时提供和接收外设的数据。
DMA 传送速度快，CPU 和外设并行工作，提高了系统效率。
DMA 在传送开始前要通过程序进行预处理，结束后要通过中断方式进行后处理。

DMA 控制器的组成

在 DMA 方式中，对数据传送过程进行控制的硬件称为 DMA 控制器（DMA 控制口）。当 I/O 设备需要进行数据传送时，通过 DMA 控制器向 CPU 提出 DMA 传送请求，CPU 响应之后将让出系统总线，由 DMA 控制器接管总线进行数据传送。其主要功能如下：

接受外设发出的 DMA 请求，并向 CPU 发出总线请求。
CPU 响应并发出总线响应信号，DMA 接管总线控制权，进入 DMA 操作周期。
确定传送数据的主存起始地址及长度，并自动修改主存地址计数和传送长度计数。
规定数据在主存和外设间的传送方向，发出读/写等控制信号，执行数据传送操作。
向 CPU 报告 DMA 操作结束。

下图给出了一个简单的 DMA 控制器。
在这里插入图片描述

主存地址计数器：存放要交换数据的主存地址。在传送前，其保存的是传送数据的主存起始地址；每传送一个字，地址寄存器的内容就加 1，直至该批数据传送完毕。
传送长度计数器：记录传送数据的总长度。在传送前，其记录的是该批数据的总字数；每传送一个字，计数器就减 1，直至计数器为 0，表示该批数据传送完毕。
数据缓冲寄存器：暂存每次传送的数据。通常，DMA 接口与主存之间的传送单位为字，而 DMA 与设备之间的传送单位可能为字节或位。
DMA 请求触发器：每当 I/O 设备准备好数据后，发出一个控制信号，使 DMA 请求触发器置位。
“控制/状态”逻辑：用于指定传送方向，修改传送参数，并对 DMA 请求信号、CPU 响应信号进行协调和同步。
中断机构：当一批数据传送完毕后触发中断机构，向 CPU 提出中断请求。

在 DMA 传送过程中，DMA 控制器接管系统总线。而当 DMA 传送结束后，将恢复 CPU 的一切权利并开始执行其操作。由此可见，DMA 控制器必须具有控制系统总线的能力。

DMA 的传送方式

主存和 I/O 设备之间交换信息时，不通过 CPU。但当 I/O 设备和 CPU 同时访问主存时，可能发生冲突，为了有效地使用主存，DMA 与 CPU 通常采用以下 3 种方式使用主存。

停止 CPU 访存

当 I/O 设备有 DMA 请求时，由 DMA 接口向 CPU 发送一个停止信号，使 CPU 放弃总线控制权，停止访问主存，直到 DMA 传送一块数据结束，如下图所示。
在这里插入图片描述

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。
优点：控制简单，适用于数据传输速率很高的 I/O 设备实现成组数据的传送。
缺点：DMA 在访问主存时，CPU 基本上处于不工作状态。

周期挪用

由于 I/O 访存的优先级高于 CPU 访存（I/O 不立即访存就可能丢失数据），因此由 I/O 设备挪用一个存取周期，传送完一个数据字后立即释放总线，如下图所示。
在这里插入图片描述

它是一种单字传送方式。当 I/O 设备有 DMA 请求时，会遇到 3 种情况：

此时 CPU 不在访存，因此 I/O 的访存请求与 CPU 未发生冲突；
CPU 正在访存，此时必须待存取周期结束后，CPU 再将总线占有权让出；
I/O 和 CPU 同时请求访存，出现访存冲突，此时 CPU 要暂时放弃总线占有权。

优点：既实现了 I/O 传送，又较好地发挥了主存与 CPU 的效率。
缺点：每挪用一个主存周期，DMA 接口都要申请、建立和归还总线控制权。

DMA 与 CPU 交替访存

将 CPU 的工作周期分成两个时间片，一个给 CPU 访存，另一个给 DMA 访存，这样在每个 CPU 周期内，CPU 和 DMA 就都可以轮流访存，如下图所示。
在这里插入图片描述

这种方式适用于 CPU 的工作周期比主存存取周期长的情况。例如，若 CPU 的工作周期是 1.2μs，主存的存取周期小于 0.6μs，则可将一个 CPU 周期分为 $C_1$ 和 $C_2$ 两个周期，其中 $C_1$ 专供 DMA 访存， $C_2$ 专供 CPU 访存。这种方式不需要申请、建立和归还总线使用权，总线使用权是通过 $C_1$ 和 $C_2$ 分时控制的。

优点：不需要总线控制权的申请、建立和归还过程，具有很高的传送速率。
缺点：相应的硬件逻辑变得更复杂。

示例分析

假定计算机的主频为 500MHz，CPI 为 4，某外设的数据率为 40MB/s，I/O 接口中的数据端口为 32 位，采用 DMA 方式，每次 DMA 传送块大小为 1000B，且 DMA 预处理和后处理的总时钟周期数为 500，则 CPU 用于该外设 I/O 的时间占 CPU 总时间的百分比是多少？

解：

外设每秒的 DMA 次数为 $40MB/s \div 1000B = 40000$ ，在 DMA 方式中，只有预处理和后处理需要 CPU 处理，数据传送全程由 DMA 控制。
CPU 用于外设 I/O 的总时间为 $40000 \times 500 = 2 \times 10^7$ 个时钟周期，占 CPU 总时间的百分比为 $\frac{2 \times 10^7}{500M} = 4\%$ 。

DMA 的传送过程

下图所示为 DMA 的数据传送流程，分为预处理、数据传送和后处理 3 个阶段。
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预处理
- 由 CPU 完成一些必要的准备工作。
- 首先，初始化 DMA 控制器中的有关寄存器，设置传送方向、测试并启动设备等。
- 然后，CPU 继续执行原程序，直到 I/O 设备准备好发送的数据（输入情况）或接收的数据（输出情况）时，I/O 设备向 DMA 控制器发送 DMA 请求，再由 DMA 控制器向 CPU 发出总线请求（这两个过程也可统称 DMA 请求），用以传输数据。
数据传送
- DMA 以数据块为基本传送单位。
- DMA 占用总线后的数据输入/输出操作都是通过循环来实现的，这一循环也是由 DMA 控制器实现的，即数据传送阶段完全由 DMA（硬件）控制。
后处理
- DMA 控制器向 CPU 发送中断请求，CPU 执行中断服务程序做 DMA 结束处理，包括校验数据（出错则转诊断程序）等后处理工作。

在 DMA 方式下，整个数据块的传送过程都不需要 CPU 参与，CPU 只在最初的 DMA 控制器初始化和最后的 DMA 结束处理时才介入，因此 CPU 用于 I/O 的开销非常小。

DMA 方式和中断方式的区别

中断方式是程序的切换，需要保护和恢复现场；而 DMA 方式不中断现行程序，无须保护现场，除了预处理和后处理，其他时候不占用任何 CPU 资源。
对中断请求的响应只能发生在每条指令执行结束时（执行周期后）；而对 DMA 请求的响应可以发生在任意一个机器周期结束时（取指、间址、执行周期后均可）。
中断传送过程需要 CPU 的干预；而 DMA 传送过程不需要 CPU 的干预，因此数据传输速率非常高，适合于高速外设的成组数据传送。
DMA 请求的优先级高于中断请求。
中断方式具有处理异常事件的能力，而 DMA 方式仅局限于大批数据的传送。
从数据传送来看，中断方式靠程序传送，DMA 方式靠硬件传送。

四、参考资料

鲍鱼科技课件

b站免费王道课后题讲解:
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网课全程班:
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