计算机组成原理第八章输入输出系统(三)课件.ppt

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1、8.3 DMA8.3 DMA方式方式8.3.1 DMA8.3.1 DMA方式的基本概念方式的基本概念一、一、DMADMA方式的定义方式的定义v（请看（请看P.286P.286）：）：是一种完全由硬件执行是一种完全由硬件执行I/OI/O交换的工作方式。在这种方式中，交换的工作方式。在这种方式中，DMADMA控制控制器从器从CPUCPU完全接管对总线的控制，数据交换完全接管对总线的控制，数据交换不经过不经过CPUCPU，而直接在内存和而直接在内存和I/OI/O设备之间进设备之间进行。行。DMADMA方式一般用于高速传送成组数据。方式一般用于高速传送成组数据。二、二、DMADMA方式的特点方式的特点

2、v优点：速度快；优点：速度快；v缺点：硬件线路复杂。缺点：硬件线路复杂。三、三、DMADMA控制器的基本操作控制器的基本操作v（请看（请看P.286P.286）：）：v外设发出外设发出DMADMA请求；请求；vCPUCPU响应请求响应请求交出总线控制权；交出总线控制权；vDMACDMAC对内存寻址，对数据传送个数进行计对内存寻址，对数据传送个数进行计数，并执行数据传送操作；数，并执行数据传送操作；v向向CPUCPU报告报告DMADMA操作的结束操作的结束交还总线控交还总线控制权。制权。v四、四、DMADMA操作中的软硬件分工操作中的软硬件分工软件：负责数据传送前的准备工作，结束后软件：负责数据

3、传送前的准备工作，结束后的处理工作；的处理工作；硬件：负责数据传送。硬件：负责数据传送。v8.3.2 DMA8.3.2 DMA传送方式传送方式vCPUCPU和和DMACDMAC访存冲突的裁决方式。访存冲突的裁决方式。v常用的方式有以下三种：常用的方式有以下三种：一、停止一、停止CPUCPU访问内存访问内存外设要求传送一批数据时，由外设要求传送一批数据时，由DMACDMAC发请求信发请求信号，要求号，要求CPUCPU出让总线使用权；之后出让总线使用权；之后DMACDMAC独占内存进行批量的数据传送；一批数据传独占内存进行批量的数据传送；一批数据传送完毕后，送完毕后，DMACDMAC才把总线控制权

4、交还给才把总线控制权交还给CPUCPU。控制简单，但控制简单，但CPUCPU可能因无法访存而处于暂停可能因无法访存而处于暂停状态。状态。指令指令CacheCache和数据和数据CacheCache的作用。的作用。内存工作内存工作 时间时间CPUCPU控制并控制并使用内存使用内存DMADMA控制控制并使用内存并使用内存CPUCPU暂停访问内存的示意图暂停访问内存的示意图t t二、周期挪用（窃取）二、周期挪用（窃取）CPUCPU按程序访问内存，一旦按程序访问内存，一旦I/OI/O设备有设备有DMADMA请请求，则由求，则由DMACDMAC挪用一个存取周期；也有总挪用一个存取周期；也有总线使用权的交

5、换。线使用权的交换。周期挪用时的两种情况：内存争用与否；有冲周期挪用时的两种情况：内存争用与否；有冲突则突则DMADMA优先，但影响优先，但影响CPUCPU效率效率 可以用指令预取的办法降低争访的几率。可以用指令预取的办法降低争访的几率。既实现了既实现了I/OI/O传送，又较好地发挥了传送，又较好地发挥了CPUCPU和内存和内存的效率。的效率。请求、响应及总线使用权频繁转换请求、响应及总线使用权频繁转换会使效率下降。会使效率下降。内存工作内存工作 时间时间CPUCPU控制并控制并使用内存使用内存DMADMA控制控制并使用内存并使用内存周期挪用方式的示意图周期挪用方式的示意图t t三、三、DMA

6、DMA与与CPUCPU交替访问内存交替访问内存vCPUCPU和和DMACDMAC轮流（分时）使用总线，没有轮流（分时）使用总线，没有使用权的申请、出让、归还这一类问题（透使用权的申请、出让、归还这一类问题（透明的明的DMADMA方式）；适用于方式）；适用于CPUCPU工作周期比内工作周期比内存存取周期长得多的情况，以便在两次存存取周期长得多的情况，以便在两次CPUCPU访问内存之间有一段空闲给访问内存之间有一段空闲给DMACDMAC使用。使用。v实际是将实际是将CPUCPU工作周期一分为二，工作周期一分为二，CPUCPU和和DMADMA各各DMADMA传送和传送和CPUCPU同时发挥最高效率，

7、同时发挥最高效率，但控制逻辑复杂。也存在资源浪费。但控制逻辑复杂。也存在资源浪费。内存工作内存工作 时间时间CPUCPU控制并控制并使用内存使用内存DMADMA控制控制并使用内存并使用内存DMADMA与与CPUCPU交替访问的示意图交替访问的示意图t tv例例1 1：解释周期挪用，分析周期挪用可能出现：解释周期挪用，分析周期挪用可能出现的几种情况。的几种情况。v解答：解释名词。解答：解释名词。v周期挪用可能会出现三种情况：周期挪用可能会出现三种情况：v（1 1）I/OI/O设备有设备有DMADMA请求时，请求时，CPUCPU正在进行正在进行自身的操作，并不需要访内；自身的操作，并不需要访内；v

8、（2 2）访内冲突）访内冲突I/OI/O设备的设备的DMADMA请求优先请求优先 ；v（3 3）I/OI/O设备有设备有DMADMA请求时，存储器正处于请求时，存储器正处于“忙忙”（R/WR/W）状态状态必须等必须等CPUCPU存取结存取结束后才能进行束后才能进行DMADMA访内。访内。8.3.3 8.3.3 基本的基本的DMADMA控制器控制器一、一、DMADMA控制器的基本组成控制器的基本组成P.289P.289图图8.128.121 1、寄存器组：五个主要寄存器、寄存器组：五个主要寄存器 （1 1）DMADMA传送的内存地址寄存器；传送的内存地址寄存器；（2 2）数据缓冲寄存器；）数据缓

9、冲寄存器；（3 3）DMADMA传送的数据字数寄存器；传送的数据字数寄存器；（4 4）外围设备地址寄存器，存放）外围设备地址寄存器，存放I/OI/O设备的设设备的设备码或表示设备信息存储区的寻址信息；备码或表示设备信息存储区的寻址信息；（5 5）控制与状态寄存器。）控制与状态寄存器。2 2、中断控制逻辑、中断控制逻辑3 3、DMADMA请求标志触发器请求标志触发器 4 4、传输线、传输线 系统总线系统总线内存内存CPUCPUMARMARMDRMDR中断机构中断机构控制控制/状态逻辑状态逻辑内存地址计数器内存地址计数器字计数器字计数器数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器 设备选择设备选择0 1 0 1

10、DMADMA请求请求标志标志HOLDHOLDHLDAHLDADMADMA响应响应DMADMA请求请求+1+1+1+1溢出信号溢出信号中断请求中断请求地址线地址线数据线数据线设备控制器设备控制器设设 备备数据数据一个字传送一个字传送结束信号结束信号启动设备启动设备简单的简单的DMADMA控制器组成框图控制器组成框图二、二、DMADMA数据传送过程（周期挪用方式）数据传送过程（周期挪用方式）v（参看（参看P.290P.290图图8.138.13）DMADMA请求请求DMADMA响应响应发送内存地址发送内存地址传送一个字数据传送一个字数据检测传送检测传送是否结束？是否结束？归还总线使用权归还总线使用

11、权修改地址指针和字计数器修改地址指针和字计数器是是否否DMADMA传送数据的流程图传送数据的流程图开始开始传送前预处理传送前预处理数据传送数据传送传送后处理传送后处理结束结束DMADMA传送传送1 1、DMADMA传送前的预处理传送前的预处理vCPUCPU用程序为用程序为DMADMA传送做准备传送做准备（中断初（中断初始化及）对始化及）对DMACDMAC的初始化：的初始化：（1 1）设备地址）设备地址DARDAR（设备地址寄存器）设备地址寄存器）（2 2）内存中）内存中DMADMA缓冲区首地址缓冲区首地址内存地址内存地址计数器计数器 （3 3）传送数据的字数）传送数据的字数字计数器字计数器 （

12、4 4）启动设备）启动设备2 2、DMADMA数据传送数据传送vDMADMA控制器代替控制器代替CPUCPU管理管理I/OI/O设备进行数据设备进行数据传送：（以输入过程为例）传送：（以输入过程为例）（1 1）输入设备送一个字到）输入设备送一个字到DMADMA控制器的数控制器的数据缓冲寄存器，同时设备控制器以据缓冲寄存器，同时设备控制器以READYREADY信信号置号置DMADMA控制器中控制器中DMADMA请求触发器为请求触发器为1 1；（2 2）CPUCPU响应响应DMADMA请求并在请求并在CPUCPU当前存储当前存储周期结束后，由周期结束后，由DMADMA占用下一个存储周期占用下一个存

13、储周期（叫做叫做DMADMA周期）周期）进行写操作：进行写操作：1 1）（内存地址计数器）（内存地址计数器）MARMAR；2 2）（接口数）（接口数据缓冲寄存器）据缓冲寄存器）MDRMDR；3 3）发出）发出“写内存写内存”命令；命令；v（3 3）在）在DMADMA控制状态逻辑的控制下执行三控制状态逻辑的控制下执行三个操作：个操作：存储存储周期周期存储器时序存储器时序DMADMA请求请求CPUCPUDMADMA周期周期热启动热启动1 1）（字计数器）（字计数器）+1+1字计数器；字计数器；2 2）清）清DMADMA请求标志触发器；请求标志触发器；3 3）（内存地址计数器）（内存地址计数器）+1

14、+1内存地址计数内存地址计数器，未传完转器，未传完转2 2（1 1）（发生总线使用权转）（发生总线使用权转让），否则接下。让），否则接下。（4 4）传送结束由）传送结束由DMADMA控制器中的中断机构控制器中的中断机构发发DMADMA中断请求。中断请求。3 3、DMADMA结束处理结束处理CPUCPU响应响应DMADMA的中断请求后，停止原运行程的中断请求后，停止原运行程序转去执行序转去执行DMADMA中断服务程序以完成中断服务程序以完成DMADMA结束处理工作。结束处理工作。因此因此DMADMA接口应保留中断功能。接口应保留中断功能。由该过程体会周期挪用方式每传一个字由该过程体会周期挪用方式

15、每传一个字的的“附加操作附加操作”及透明及透明DMADMA的优点。的优点。有关的书后习题有关的书后习题P.303 P.304 P.303 P.304 第第4 4题、题、采用采用DMADMA方式传送数据时，每传送方式传送数据时，每传送一个数据就要占用一个（一个数据就要占用一个（）的时间。）的时间。A.A.指令周期指令周期 B.B.机器周期机器周期C.C.存储周期存储周期 D.D.总线周期总线周期第第1212题、题、下列陈述中正确的是下列陈述中正确的是()()。A.A.在在DMADMA周期内，周期内，CPUCPU不能执行程序不能执行程序B.B.中断发生时，中断发生时，CPUCPU首先执行入栈指令将

16、程首先执行入栈指令将程序计数器内容保护起来序计数器内容保护起来C.DMAC.DMA传送方式中，传送方式中，DMADMA控制器每传送一控制器每传送一个数据就窃取一个指令周期个数据就窃取一个指令周期D.D.输入输出操作的最终目的是要实现输入输出操作的最终目的是要实现CPUCPU与与外设之间的信息传输。外设之间的信息传输。vP.304 P.304 第第1616题：比较题：比较通道、通道、DMADMA、中断中断三三种种基本基本I/OI/O方式的异同点。方式的异同点。解答（解答（DMADMA与中断的比较）：与中断的比较）：（1 1）实现）实现I/OI/O的方法不同；的方法不同；（2 2）CPUCPU响应

17、中断与响应响应中断与响应DMADMA请求的时机请求的时机不同（下图）；不同（下图）；为什么作如此安排？为什么作如此安排？指令周期指令周期取指令取指令机器周期机器周期取源操作数取源操作数机器周期机器周期取目的操作取目的操作数机器周期数机器周期执行周期执行周期DMADMA响应插入点响应插入点中断响应插入点中断响应插入点v（3 3）二者的优先权不同：）二者的优先权不同：DMADMA方式优先权方式优先权比中断方式高（实现方法）；比中断方式高（实现方法）；v（4 4）CPUCPU的利用率不同：的利用率不同：DMADMA方式下方式下CPUCPU与设备的并行程度比程序中断方式高；与设备的并行程度比程序中断方

18、式高；v（5 5）应用不同：）应用不同：DMADMA只是对数据传送进行只是对数据传送进行控制，而中断具有控制，而中断具有I/OI/O之外的作用；且，之外的作用；且，DMADMA方式的实现也要借助于中断系统的功能方式的实现也要借助于中断系统的功能DMADMA传送结束的中断请求。传送结束的中断请求。v8.3.4 8.3.4 选择型和多路型选择型和多路型DMADMA控制器控制器v实际使用的实际使用的DMACDMACv1 1、选择型、选择型DMADMA控制器控制器v物理上连接多个设备，而某一时间段内只能物理上连接多个设备，而某一时间段内只能为一个设备服务为一个设备服务逻辑上连接一个设备。逻辑上连接一个

19、设备。内内存存CPUCPU字计数器字计数器内存内存地址地址寄存器寄存器数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器状态控制寄存器状态控制寄存器时序电路时序电路设备地址寄存器设备地址寄存器设备设备1 1设备设备2 2设备设备n n 系统总线系统总线选选择择线线P.291P.291图图8.14 8.14 选择型选择型DMADMA控制器控制器适合于连接高速设备，适合于连接高速设备，以块方式传输。以块方式传输。v2 2、多路型、多路型DMADMA控制器控制器v（1 1）不仅物理上可连接多个外设，逻辑上也）不仅物理上可连接多个外设，逻辑上也允许这些外设同时工作允许这些外设同时工作v有多少个连接的外设，有多少个连接的外设

20、，DMACDMAC内就有多少内就有多少组组寄存器用于存放各自的传送参数（与选择型寄存器用于存放各自的传送参数（与选择型DMACDMAC硬件对比）；带判优逻辑；硬件对比）；带判优逻辑；v（2 2）各设备以字节交叉方式通过）各设备以字节交叉方式通过DMACDMAC进行进行数据传送数据传送v外设以外设以“周期挪用周期挪用”方式访问内存；方式访问内存；v（3 3）又分为）又分为“链式多路链式多路DMAC”DMAC”和和“独立请独立请求方式多路求方式多路DMAC”DMAC”v图见图见P.292P.292图图8.158.15。自习。自习。v多路多路DMACDMAC芯片例图见芯片例图见P.293P.293图

21、图8.178.17。自习。自习。vIBM PCIBM PC中中82378237的情况。的情况。v多路型多路型DMACDMAC的例题的例题vEX1EX1（书中书中P.291P.291例例3 3）：）：v图图8.168.16中假设有磁盘、磁带、打印机三个设中假设有磁盘、磁带、打印机三个设备同时工作。磁盘以备同时工作。磁盘以3030 s s的间隔向控制器发的间隔向控制器发DMADMA请求，磁带以请求，磁带以4545 s s的间隔发的间隔发DMADMA请求，请求，打印机以打印机以120120 s s的间隔发的间隔发DMADMA请求。根据传请求。根据传输率，磁盘优先权最高，磁带次之，打印机输率，磁盘优先

22、权最高，磁带次之，打印机最低，图中假设最低，图中假设DMADMA控制器每完成一次控制器每完成一次DMADMA传送所需的时间是传送所需的时间是5 5 s s。若采用多路型若采用多路型DMADMA控制器，请画出控制器，请画出DMADMA控制器服务三个设备的控制器服务三个设备的工作时工作时空空图。图。磁盘磁盘磁带磁带打印机打印机30 30 s s30 30 s s30 30 s s4545 s s4545 s st tt tt t解答：解答：DMACDMAC的服务时空图如下的服务时空图如下DMACDMACt t5 5 s sT T1 1T T2 2T T3 3T T4 4T T5 5T T6 6T

23、T7 7T T8 8其中，其中，T T1 1为打印机服务，为打印机服务，T T2 2、T T4 4、T T6 6、T T7 7 为磁盘服务，为磁盘服务，T T3 3、T T5 5、T T8 8为磁带服务。为磁带服务。T Ti i=5=5 s sEX2EX2：书后习题书后习题P.304P.304第第1717题题用多路用多路DMADMA控制器控制光盘、软盘、打印机三控制器控制光盘、软盘、打印机三个设备同时工作。光盘以个设备同时工作。光盘以20 20 s s的间隔向控制的间隔向控制器发器发DMADMA请求，软盘以请求，软盘以90 90 s s的间隔向控制器的间隔向控制器发发DMADMA请求，打印机以

24、请求，打印机以180 180 s s的间隔发的间隔发DMADMA请求。请画出多路请求。请画出多路DMADMA控制器的工作时空图。控制器的工作时空图。设设DMACDMAC每完成一次每完成一次DMADMA传送需时传送需时3 3 s s。解答：该解答：该DMACDMAC工作时空图如下。工作时空图如下。t t s s光盘光盘软盘软盘打印机打印机20 40 60 80 100 120 140 160 18020 40 60 80 100 120 140 160 1803 3 s s9090EX2EX2的的DMADMA控制器服务时空图控制器服务时空图 8.4 8.4 通道方式通道方式 8.4.1 8.4.

25、1 通道的功能通道的功能一、功能一、功能1 1、定义：一种具有特定功能的处理器，有自己、定义：一种具有特定功能的处理器，有自己的指令和程序，专门负责数据的指令和程序，专门负责数据I/OI/O的控制与管的控制与管理。它与理。它与CPUCPU分时使用主存，实现分时使用主存，实现CPUCPU内部内部运算与运算与I/OI/O设备并行工作。设备并行工作。2 2、结构图、结构图以以IBM4300IBM4300系统为例，系统为例，P.295P.295图图8.198.19。3 3、通道的基本功能、通道的基本功能请看请看P295P295。二、二、CPUCPU对通道的管理对通道的管理P.296P.296。三、通道

26、对设备控制器的管理三、通道对设备控制器的管理P.296P.296。8.4.2 8.4.2 通道的类型通道的类型一、选择通道一、选择通道连接多个高速外设以成组方式与主机交换信连接多个高速外设以成组方式与主机交换信息，但某段时间只允许一个设备工作。息，但某段时间只允许一个设备工作。二、数组多路通道二、数组多路通道v在选择通道的基础上，当通道处于为在选择通道的基础上，当通道处于为A A设备服设备服务的非数据传送期（如寻址），可转而为务的非数据传送期（如寻址），可转而为B B设设备服务。备服务。三、字节多路通道三、字节多路通道v连接多台低速外设，同时以字节方式与主机连接多台低速外设，同时以字节方式与主机交换数据。交换数据。vP.303 P.303 第第5 5题题v通道的功能是（通道的功能是（1 1），（，（2 2）。按通道的工作方式分，通道有按通道的工作方式分，通道有通道、通道、通道和通道和通道三种类型。通道三种类型。v（1 1）接收接收CPUCPU的的I/OI/O指令指令v（2 2）控制外设与主存的数据交换控制外设与主存的数据交换v字节多路、选择、数组多路字节多路、选择、数组多路