【正文】 或一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，就要進(jìn)入一次中斷周期，執(zhí)行一遍中斷服務(wù)程序。無(wú)論是在中斷周期還是執(zhí)行中斷服務(wù)程序都要占用 CPU的時(shí)間，如果有大批量的數(shù)據(jù)要傳送，且外設(shè)的速度也很高，則程序中斷方式不可能使整個(gè)系統(tǒng)的效率得以充分發(fā)揮。直接存儲(chǔ)器存取方式 (DMA)就是為了解決這一問(wèn)題而引入的。該方式是在外設(shè)與主存之間建立一個(gè)由 DMA控制器 (簡(jiǎn)稱(chēng) DMAC)管理的數(shù)據(jù)通路(參見(jiàn)圖 14和圖 97)，使 CPU不介入傳送時(shí)的操作，數(shù)據(jù)也不經(jīng)過(guò) CPU。這樣就減少了 CPU的開(kāi)銷(xiāo)，系統(tǒng)效率也得到了進(jìn)一步提高。 DMA方式 ? DMA傳送 ? DMA主要操作過(guò)程 ? 基本的 DMA控制器 ? 其他 DMA控制器 DMA傳送 DMA方式的一個(gè)顯著特點(diǎn)是，數(shù)據(jù)傳送時(shí) CPU仍然可以執(zhí)行主程序。那么， DMAC與 CPU有可能同時(shí)需要訪(fǎng)問(wèn)主存，從而引起主存使用權(quán)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(dāng) DMAC要求訪(fǎng)問(wèn)主存時(shí)， CPU暫時(shí)停頓一個(gè)存儲(chǔ)周期。一個(gè)數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后， CPU立即繼續(xù)運(yùn)行。由于 CPU現(xiàn)場(chǎng)并沒(méi)有變動(dòng)，只是延緩了對(duì)指令的執(zhí)行，因此，這種技術(shù)稱(chēng)為周期挪用，或稱(chēng)周期竊取。如果 CPU和 DMAC同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)主存，形成沖突，則 DMA優(yōu)先訪(fǎng)問(wèn)主存。如圖 929 DMA傳送 所示，某指令原來(lái)使用三個(gè)存儲(chǔ)周期，因 DMAC傳送一個(gè)數(shù)據(jù)，延長(zhǎng)了一個(gè)存儲(chǔ)周期。周期挪用法已成為 DMA方式的主要方法，在許多計(jì)算機(jī)中得到應(yīng)用。 圖 9 28 D M A 和 C PU 交替訪(fǎng)問(wèn)主存 CP U 訪(fǎng)問(wèn)主存 DMA C 訪(fǎng)問(wèn)主存 CP U 周期 指令周期 周期挪用 存儲(chǔ)周期 圖 9 29 周期挪用示意 圖 9 28 D M A 和 C PU 交替訪(fǎng)問(wèn)主存 CP U 訪(fǎng)問(wèn)主存 DMA C 訪(fǎng)問(wèn)主存 CP U 周期 指令周期 周期挪用 存儲(chǔ)周期 圖 9 29 周期挪用示意 圖 928 DMA和 CPU交替訪(fǎng)問(wèn)主存 圖 929 周期挪用示意 DMA主要操作過(guò)程 以周期挪用方式為例， DMA的數(shù)據(jù)塊傳送可分為三個(gè)階段，即準(zhǔn)備階段、傳送階段和結(jié)束階段。 1. 準(zhǔn)備階段 (1)發(fā)送讀寫(xiě)命令 (2)向 DMAC中的內(nèi)存地址計(jì)數(shù)器寫(xiě)入數(shù)據(jù)塊在主存中的首地址。 (3)向 DMAC的設(shè)備地址寄存器中寫(xiě)入數(shù)據(jù)在外存儲(chǔ)介質(zhì)上的地址。 (4)向字或字節(jié)計(jì)數(shù)器中寫(xiě)入要傳送的數(shù)據(jù)字或字節(jié)個(gè)數(shù)。 以上 4個(gè)參數(shù)稱(chēng)為 DMA傳送前要決定的 4個(gè)要素。 DMA主要操作過(guò)程 2. 傳送階段 (1)外設(shè)準(zhǔn)備好發(fā)送數(shù)據(jù) (輸入 )或接收數(shù)據(jù) (輸出 )時(shí)，向主機(jī)發(fā) DMA請(qǐng)求。 (2)CPU在本機(jī)器周期執(zhí)行完畢后響應(yīng)該請(qǐng)求并使CPU的總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器處于高阻狀態(tài)，讓出主存使用權(quán)。 (3)DMAC發(fā)送主存地址、讀 /寫(xiě)命令。若是寫(xiě)命令，DMAC還送來(lái)數(shù)據(jù)。 (4)DMAC挪用一個(gè)存儲(chǔ)周期對(duì)主存進(jìn)行讀或?qū)懖僮?。在周期挪用期間， CPU維持原來(lái)的狀態(tài)。周期挪用結(jié)束后，給 DMA接口一個(gè)回答信號(hào)。 (5)DMAC接到回答信號(hào)后，撤除 DMA請(qǐng)求，將主存數(shù)據(jù)緩沖區(qū)地址指針加 1，字或字節(jié)計(jì)數(shù)器減 1。 DMA主要操作過(guò)程 DMA請(qǐng)求一旦撤除， CPU接管總線(xiàn)控制權(quán)，繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)的程序。 (6)DMAC判斷數(shù)據(jù)是否全部傳送完。若傳送完畢，則進(jìn)入結(jié)束階段；若沒(méi)有傳送完，則又開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)操作。 3. 結(jié)束階段 DMA在以下兩種情況下都進(jìn)入結(jié)束階段：一種情況是一批數(shù)據(jù)傳送完畢，這是正常結(jié)束；另一種情況是 DMA發(fā)生了故障，這是非正常結(jié)束。不論哪一種情況進(jìn)入結(jié)束階段， DMA都向主機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求，CPU執(zhí)行服務(wù)程序查詢(xún) DMA接口狀態(tài)，根據(jù)狀態(tài)進(jìn)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(guò)程可以推知， DMA控制器應(yīng)該設(shè)置以下一些部件。 (1)主存地址計(jì)數(shù)器。 (2)字計(jì)數(shù)器。 (3)數(shù)據(jù)緩沖寄存器。 (4)DMA請(qǐng)求標(biāo)志。 (5)控制 /狀態(tài)邏輯。 (6)設(shè)備選擇。 (7)中斷機(jī)構(gòu)。 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(jiǎn)單的 DMA控制器，即一個(gè)控制器只控制一個(gè) I/O設(shè)備。實(shí)際中經(jīng)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(jīng)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(gè)設(shè)備，而在邏輯上只允許接一個(gè)設(shè)備，換句話(huà)說(shuō)，在某一段時(shí)間內(nèi)只能為一個(gè)設(shè)備服務(wù)。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(shè)備，但是多路型DMA控制器卻適合于同時(shí)為多個(gè)慢速外圍設(shè)備服務(wù)。多路型 DMA不僅在物理上可以連接多個(gè)外圍設(shè)備，而且在邏輯上也允許這些外圍設(shè)備同時(shí)工作，各設(shè)備以字節(jié)交叉方式通過(guò) DMA控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 通 道 方 式 DMA方式采用了周期挪用技術(shù)，在主機(jī)與外圍設(shè)備交換信息的過(guò)程中，盡量減少 CPU對(duì)傳送數(shù)據(jù)的干預(yù)，使 CPU的效率提高。但 DMA方式依賴(lài)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(gè)同類(lèi)設(shè)備。在微、小型機(jī)中，由于連接的設(shè)備不多，使用 DMA方式是不成問(wèn)題的。但在大、中型機(jī)中，外設(shè)的數(shù)量和種類(lèi)顯著增加， 1～ 2個(gè)設(shè)備就占用一個(gè) DMA控制邏輯顯然是不經(jīng)濟(jì)的，因此必須找出一種方法使 DMA技術(shù)被更多的設(shè)備所共享。另一方面， DMA接口的起始準(zhǔn)備仍需 CPU執(zhí)行一段程序完成。高速設(shè)備的信息是成批傳送的，一批數(shù)據(jù)包含了相當(dāng)多的數(shù)據(jù)塊，每一數(shù)據(jù)塊都需要使 通 道 方 式 DMA接口初始化。數(shù)據(jù)塊連續(xù)頻繁地傳送，其占用CPU的時(shí)間就不可忽視了。為此，應(yīng)設(shè)置一種專(zhuān)用的輸入 /輸出處理機(jī)，分擔(dān)主機(jī)對(duì)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(shè)備，還能管理低速設(shè)備。這種專(zhuān)用的處理機(jī)稱(chēng)為通道。 通 道 方 式 ? 通道的概念 ? 通道的類(lèi)型 ? 通道結(jié)構(gòu)的發(fā)展 通道的概念 通道吸取了 DMA硬件技術(shù)，并增加了軟件管理。它設(shè)有專(zhuān)用的通道指令。盡管這些指令的功能有限，但能獨(dú)立管理和控制輸入 /輸出操作。 一個(gè)大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以連接多個(gè)通道，一個(gè)通道可以管理多個(gè)設(shè)備控制器，而一個(gè)設(shè)備控制器又可以控制多臺(tái)設(shè)備。這樣就形成了一個(gè)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(jī)、通道、設(shè)備控制器和外圍設(shè)備等明顯的四級(jí)。 圖 9 32 大型、中型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu) 主 機(jī) 設(shè)備控制器 外設(shè) 外設(shè) 設(shè)備控制器 外設(shè) 外設(shè) 通道 設(shè)備控制器 外設(shè) 外設(shè) 設(shè)備控制器 外設(shè) 外設(shè) 通道 CP U 主存儲(chǔ)器 圖 932 大型、中型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu) 通道的概念 一般說(shuō)來(lái)，通道具有以下功能：根據(jù) CPU要求，組織設(shè)備與系統(tǒng)連接；通過(guò)設(shè)備控制器向設(shè)備發(fā)出操作命令；指出數(shù)據(jù)在設(shè)備中的位置和在主存緩沖區(qū)內(nèi)的位置；檢查設(shè)備和設(shè)備控制器的工作狀態(tài)；向CPU反映設(shè)備、設(shè)備控制器及通道本身的狀態(tài)信息；進(jìn)行必要的信息格式變換。例如，將若干字節(jié)裝配成一個(gè)字，或?qū)⒁粋€(gè)字拆卸成若干字節(jié)。 設(shè)備控制器介于通道與設(shè)備之間，是通道對(duì)外部設(shè)備實(shí)行具體控制的機(jī)構(gòu)。它把通道發(fā)布的命令轉(zhuǎn)換為設(shè)備能接受的控制信號(hào)，向通道反映設(shè)備的狀態(tài)，將設(shè)備的各種電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成通道能夠識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)邏輯信號(hào)。 通道的類(lèi)型 根據(jù)設(shè)備共享通道的情況及信息對(duì)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(lèi) .。 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(lèi)型 2. 選擇通道 對(duì)于那些傳輸速率很高的設(shè)備，如磁盤(pán)機(jī)、磁帶機(jī)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(dá)到每秒幾十千到幾兆字節(jié)，因通道傳送兩個(gè)字節(jié)之間的空閑時(shí)間很少，故只宜為一臺(tái)設(shè)備單獨(dú)服務(wù)。 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(shù)據(jù)傳送過(guò)程的示意。 圖 934 選擇通道原理示意 通道的類(lèi)型 3. 成組多路通道 選擇通道雖然能高速傳送數(shù)據(jù)，但花費(fèi)在設(shè)備輔助操作的時(shí)間不能有效地利用，如磁盤(pán)機(jī)啟動(dòng)后，磁頭找到指定扇區(qū)的平均時(shí)間有 20ms～ 30ms，磁帶機(jī)磁頭定位時(shí)間更長(zhǎng)，可達(dá)幾分鐘。在這樣長(zhǎng)的時(shí)間里，通道均處于等待狀態(tài)。為了利用這段時(shí)間，把上述字節(jié)多路通道和選擇通道的特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，形成一種新的通道形式，稱(chēng)為成組多路通道。 通道結(jié)構(gòu)的發(fā)展 隨著通道結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)了兩種計(jì)算機(jī)I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，一種是通道結(jié)構(gòu)的 I/O處理器，另一種是外部處理機(jī) (PPU)。 通道結(jié)構(gòu)的 I/O處理器，通常稱(chēng)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳送。但是，它不是獨(dú)立于 CPU并行工作，而是主機(jī)的一個(gè)部件，有些 IOP例如 Intel 8089 IOP，還提供數(shù)據(jù)的變換、搜索以及字裝配 /拆卸能力。這類(lèi) IOP廣泛應(yīng)用于中、小型及微型計(jì)算機(jī)中。 通道結(jié)構(gòu)的發(fā)展 PPU基本上是獨(dú)立于主機(jī)工作的，它有自己的指令系統(tǒng)，完成算術(shù) /邏輯運(yùn)算、讀 /寫(xiě)主存儲(chǔ)器、與外設(shè)交換信息等。有的外圍處理機(jī)干脆就是用已有的通用機(jī)。外圍處理機(jī)方式一般用于大型高效率的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。