【正文】 或一個字節(jié)的數據，就要進入一次中斷周期，執(zhí)行一遍中斷服務程序。無論是在中斷周期還是執(zhí)行中斷服務程序都要占用 CPU的時間，如果有大批量的數據要傳送，且外設的速度也很高，則程序中斷方式不可能使整個系統(tǒng)的效率得以充分發(fā)揮。直接存儲器存取方式 (DMA)就是為了解決這一問題而引入的。該方式是在外設與主存之間建立一個由 DMA控制器 (簡稱 DMAC)管理的數據通路(參見圖 14和圖 97)，使 CPU不介入傳送時的操作，數據也不經過 CPU。這樣就減少了 CPU的開銷，系統(tǒng)效率也得到了進一步提高。 DMA方式 ? DMA傳送 ? DMA主要操作過程 ? 基本的 DMA控制器 ? 其他 DMA控制器 DMA傳送 DMA方式的一個顯著特點是，數據傳送時 CPU仍然可以執(zhí)行主程序。那么， DMAC與 CPU有可能同時需要訪問主存，從而引起主存使用權的沖突。為了處理這種沖突，通常采用以下三種方式。 (1)停止 CPU使用主存。 (2)DMAC與 CPU交替使用主存。 (3)周期挪用法。當 DMAC要求訪問主存時， CPU暫時停頓一個存儲周期。一個數據傳送結束后， CPU立即繼續(xù)運行。由于 CPU現(xiàn)場并沒有變動，只是延緩了對指令的執(zhí)行，因此，這種技術稱為周期挪用，或稱周期竊取。如果 CPU和 DMAC同時訪問主存，形成沖突，則 DMA優(yōu)先訪問主存。如圖 929 DMA傳送 所示，某指令原來使用三個存儲周期，因 DMAC傳送一個數據，延長了一個存儲周期。周期挪用法已成為 DMA方式的主要方法，在許多計算機中得到應用。 圖 9 28 D M A 和 C PU 交替訪問主存 CP U 訪問主存 DMA C 訪問主存 CP U 周期 指令周期 周期挪用 存儲周期 圖 9 29 周期挪用示意 圖 9 28 D M A 和 C PU 交替訪問主存 CP U 訪問主存 DMA C 訪問主存 CP U 周期 指令周期 周期挪用 存儲周期 圖 9 29 周期挪用示意 圖 928 DMA和 CPU交替訪問主存 圖 929 周期挪用示意 DMA主要操作過程 以周期挪用方式為例， DMA的數據塊傳送可分為三個階段，即準備階段、傳送階段和結束階段。 1. 準備階段 (1)發(fā)送讀寫命令 (2)向 DMAC中的內存地址計數器寫入數據塊在主存中的首地址。 (3)向 DMAC的設備地址寄存器中寫入數據在外存儲介質上的地址。 (4)向字或字節(jié)計數器中寫入要傳送的數據字或字節(jié)個數。 以上 4個參數稱為 DMA傳送前要決定的 4個要素。 DMA主要操作過程 2. 傳送階段 (1)外設準備好發(fā)送數據 (輸入 )或接收數據 (輸出 )時，向主機發(fā) DMA請求。 (2)CPU在本機器周期執(zhí)行完畢后響應該請求并使CPU的總線驅動器處于高阻狀態(tài)，讓出主存使用權。 (3)DMAC發(fā)送主存地址、讀 /寫命令。若是寫命令，DMAC還送來數據。 (4)DMAC挪用一個存儲周期對主存進行讀或寫操作。在周期挪用期間， CPU維持原來的狀態(tài)。周期挪用結束后，給 DMA接口一個回答信號。 (5)DMAC接到回答信號后，撤除 DMA請求，將主存數據緩沖區(qū)地址指針加 1，字或字節(jié)計數器減 1。 DMA主要操作過程 DMA請求一旦撤除， CPU接管總線控制權，繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。 (6)DMAC判斷數據是否全部傳送完。若傳送完畢，則進入結束階段；若沒有傳送完，則又開始下一個循環(huán)操作。 3. 結束階段 DMA在以下兩種情況下都進入結束階段：一種情況是一批數據傳送完畢，這是正常結束；另一種情況是 DMA發(fā)生了故障，這是非正常結束。不論哪一種情況進入結束階段， DMA都向主機發(fā)出中斷請求，CPU執(zhí)行服務程序查詢 DMA接口狀態(tài)，根據狀態(tài)進行不同處理。 基本的 DMA控制器 基本的 DMA控制器如圖 930所示。由 DMA操作過程可以推知， DMA控制器應該設置以下一些部件。 (1)主存地址計數器。 (2)字計數器。 (3)數據緩沖寄存器。 (4)DMA請求標志。 (5)控制 /狀態(tài)邏輯。 (6)設備選擇。 (7)中斷機構。 圖 930 基本的 DMA控制器組成 其他 DMA控制器 前面介紹的是最簡單的 DMA控制器，即一個控制器只控制一個 I/O設備。實際中經常采用的是選擇型DMA控制器和多路型 DMA控制器，并且它們已經被做成集成電路芯片。 1. 選擇型 DMA控制器 選擇型 DMA控制器在物理上可以連接多個設備，而在邏輯上只允許接一個設備，換句話說，在某一段時間內只能為一個設備服務。選擇型 DMA控制器的邏輯框圖如圖 931所示。 圖 931 選擇型 DMA控制器 其他 DMA控制器 2. 多路型 DMA控制器 選擇型 DMA控制器不適用于慢速設備，但是多路型DMA控制器卻適合于同時為多個慢速外圍設備服務。多路型 DMA不僅在物理上可以連接多個外圍設備，而且在邏輯上也允許這些外圍設備同時工作，各設備以字節(jié)交叉方式通過 DMA控制器進行數據傳輸。 通 道 方 式 DMA方式采用了周期挪用技術，在主機與外圍設備交換信息的過程中，盡量減少 CPU對傳送數據的干預，使 CPU的效率提高。但 DMA方式依賴硬件邏輯支持，顯得不夠靈活。一種 DMA控制邏輯只適用于 1～ 2個同類設備。在微、小型機中，由于連接的設備不多，使用 DMA方式是不成問題的。但在大、中型機中，外設的數量和種類顯著增加， 1～ 2個設備就占用一個 DMA控制邏輯顯然是不經濟的，因此必須找出一種方法使 DMA技術被更多的設備所共享。另一方面， DMA接口的起始準備仍需 CPU執(zhí)行一段程序完成。高速設備的信息是成批傳送的，一批數據包含了相當多的數據塊，每一數據塊都需要使 通 道 方 式 DMA接口初始化。數據塊連續(xù)頻繁地傳送，其占用CPU的時間就不可忽視了。為此，應設置一種專用的輸入 /輸出處理機，分擔主機對輸入 /輸出管理的全部或大部分工作，而且不僅能管理高速設備，還能管理低速設備。這種專用的處理機稱為通道。 通 道 方 式 ? 通道的概念 ? 通道的類型 ? 通道結構的發(fā)展 通道的概念 通道吸取了 DMA硬件技術，并增加了軟件管理。它設有專用的通道指令。盡管這些指令的功能有限，但能獨立管理和控制輸入 /輸出操作。 一個大型計算機系統(tǒng)可以連接多個通道，一個通道可以管理多個設備控制器，而一個設備控制器又可以控制多臺設備。這樣就形成了一個較完整的 I/O系統(tǒng)，并具有明顯的層次性，如圖 932所示，該系統(tǒng)分為主機、通道、設備控制器和外圍設備等明顯的四級。 圖 9 32 大型、中型計算機系統(tǒng)的典型結構 主 機 設備控制器 外設 外設 設備控制器 外設 外設 通道 設備控制器 外設 外設 設備控制器 外設 外設 通道 CP U 主存儲器 圖 932 大型、中型計算機系統(tǒng)的典型結構 通道的概念 一般說來，通道具有以下功能：根據 CPU要求，組織設備與系統(tǒng)連接；通過設備控制器向設備發(fā)出操作命令；指出數據在設備中的位置和在主存緩沖區(qū)內的位置；檢查設備和設備控制器的工作狀態(tài)；向CPU反映設備、設備控制器及通道本身的狀態(tài)信息；進行必要的信息格式變換。例如，將若干字節(jié)裝配成一個字，或將一個字拆卸成若干字節(jié)。 設備控制器介于通道與設備之間，是通道對外部設備實行具體控制的機構。它把通道發(fā)布的命令轉換為設備能接受的控制信號，向通道反映設備的狀態(tài)，將設備的各種電平信號轉換成通道能夠識別的標準邏輯信號。 通道的類型 根據設備共享通道的情況及信息對傳送速度的要求，通道可分為字節(jié)多路通道、選擇通道和成組多路通道等三類 .。 1. 字節(jié)多路通道 圖 933 字節(jié)多路通道原理示意圖 通道的類型 2. 選擇通道 對于那些傳輸速率很高的設備，如磁盤機、磁帶機等，不適合使用字節(jié)多路通道。這是由于它們的傳輸速度達到每秒幾十千到幾兆字節(jié)，因通道傳送兩個字節(jié)之間的空閑時間很少，故只宜為一臺設備單獨服務。 圖 934(a)、 (b)、 (c)分別表示選擇通道的電路連接、選擇通道組織、選擇通道數據傳送過程的示意。 圖 934 選擇通道原理示意 通道的類型 3. 成組多路通道 選擇通道雖然能高速傳送數據，但花費在設備輔助操作的時間不能有效地利用，如磁盤機啟動后，磁頭找到指定扇區(qū)的平均時間有 20ms～ 30ms，磁帶機磁頭定位時間更長，可達幾分鐘。在這樣長的時間里，通道均處于等待狀態(tài)。為了利用這段時間，把上述字節(jié)多路通道和選擇通道的特點結合起來，形成一種新的通道形式，稱為成組多路通道。 通道結構的發(fā)展 隨著通道結構的進一步發(fā)展，出現(xiàn)了兩種計算機I/O系統(tǒng)結構，一種是通道結構的 I/O處理器，另一種是外部處理機 (PPU)。 通道結構的 I/O處理器，通常稱為輸入 /輸出處理器(IOP)。 IOP可以和 CPU并行工作，提供高速的DMA處理能力，實現(xiàn)數據的高速傳送。但是，它不是獨立于 CPU并行工作，而是主機的一個部件，有些 IOP例如 Intel 8089 IOP，還提供數據的變換、搜索以及字裝配 /拆卸能力。這類 IOP廣泛應用于中、小型及微型計算機中。 通道結構的發(fā)展 PPU基本上是獨立于主機工作的，它有自己的指令系統(tǒng)，完成算術 /邏輯運算、讀 /寫主存儲器、與外設交換信息等。有的外圍處理機干脆就是用已有的通用機。外圍處理機方式一般用于大型高效率的計算機系統(tǒng)中。