計(jì)算機(jī)組成原理：第八章 輸入輸出系統(tǒng)ppt課件.ppt

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1、第八章輸入輸出系統(tǒng)(2)1第八章輸入輸出系統(tǒng)(2)8．3DMA(直接內(nèi)存訪問(wèn))方式8．3．1DMA的基本概念一種完全由硬件執(zhí)行I／O交換的工作方式。在這種方式中，工作原理：DMA控制器從CPU完全接管對(duì)總線的控制，數(shù)據(jù)交換不經(jīng)過(guò)CPU，而直接在內(nèi)存和I／O設(shè)備之間進(jìn)行。DMA控制器將向內(nèi)存發(fā)出地址和控制信號(hào)，修改地址，對(duì)傳送的字的個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)，并且以中斷方式向CPU報(bào)告?zhèn)魉筒僮鞯慕Y(jié)束。DMA方式一般用于高速傳送成組數(shù)據(jù)。DMA方式的主要優(yōu)點(diǎn)是速速快。2第八章輸入輸出系統(tǒng)(2)DMA的種類(lèi)很多，但多種DMA至少能執(zhí)行以下一些基本操作：(1)從外圍設(shè)備發(fā)出DMA請(qǐng)求；(2)CPU

2、響應(yīng)請(qǐng)求，把CPU工作改成DMA操作方式，DMA控制器從CPU接管總線的控制；(3)由DMA控制器對(duì)內(nèi)存尋址，即決定數(shù)據(jù)傳送的內(nèi)存單元地址及數(shù)據(jù)傳送個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)，并執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送的操作；(4)向CPU報(bào)告DMA操作的結(jié)束。注意：在DMA方式中，一批數(shù)據(jù)傳送前的準(zhǔn)備工作，以及傳送結(jié)束后的處理工作，均由管理程序承擔(dān)，而DMA控制器僅負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳送的工作。3第八章輸入輸出系統(tǒng)(2)8．3．2DMA傳送方式DMA技術(shù)的出現(xiàn)，使得外圍設(shè)備可以通過(guò)DMA控制器直接訪問(wèn)內(nèi)存，與此同時(shí)，CPU可以繼續(xù)執(zhí)行程序。DMA控制器與CPU分時(shí)使用內(nèi)存，通常采用以下三種方法：(1)停止CPU訪內(nèi)；(2)

3、周期挪用；(3)DMA與CPU交替訪內(nèi)。4第八章輸入輸出系統(tǒng)(2)1．停止CPU訪問(wèn)內(nèi)存工作原理：當(dāng)外圍設(shè)備要求傳送一批數(shù)據(jù)時(shí)，由DMA控制器發(fā)一個(gè)停止信號(hào)給CPU，要求CPU放棄對(duì)地址總線、數(shù)據(jù)總線和有關(guān)控制總線的使用權(quán)。DMA控制器獲得總線控制權(quán)以后，開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。在一批數(shù)據(jù)傳送完畢后，DMA控制器通知CPU可以使用內(nèi)存，并把總線控制權(quán)交還給CPU。圖(a)是這種傳送方式的時(shí)間圖。在這種DMA傳送過(guò)程中，CPU基本處于不工作狀態(tài)或者說(shuō)保持狀態(tài)。5第八章輸入輸出系統(tǒng)(2)6第八章輸入輸出系統(tǒng)(2)優(yōu)點(diǎn)是：控制簡(jiǎn)單，它適用于數(shù)據(jù)傳輸率很高的設(shè)備進(jìn)行成組傳送。缺點(diǎn)是：在

4、DMA控制器訪內(nèi)階段，內(nèi)存的效能沒(méi)有充分發(fā)揮，相當(dāng)一部分內(nèi)存工作周期是空閑的。這是因?yàn)?，外圍設(shè)備傳送兩個(gè)數(shù)據(jù)之間的間隔一般總是大于內(nèi)存存儲(chǔ)周期，即使高速I(mǎi)／O設(shè)備也是如此。7第八章輸入輸出系統(tǒng)(2)2．周期挪用工作過(guò)程：當(dāng)I／O設(shè)備沒(méi)有DMA請(qǐng)求時(shí)，CPU按程序要求訪問(wèn)內(nèi)存；一旦I／O設(shè)備有DMA請(qǐng)求，則由I／O設(shè)備挪用一個(gè)或幾個(gè)內(nèi)存周期。I／O設(shè)備要求DMA傳送時(shí)可能遇到兩種情況：一種是，CPU不需要訪內(nèi)。一種是，I／O設(shè)備要求訪內(nèi)時(shí)CPU也要求訪內(nèi)，產(chǎn)生訪內(nèi)沖突，在這種情況下I／O設(shè)備訪內(nèi)優(yōu)先。因?yàn)镮／O訪內(nèi)有時(shí)間要求，前一個(gè)I／O數(shù)據(jù)必須在下一個(gè)訪內(nèi)請(qǐng)求到來(lái)之前存取

5、完畢。在CPU執(zhí)行訪內(nèi)指令的過(guò)程中插入DMA請(qǐng)求，挪用了一二個(gè)內(nèi)存周期。圖(b)是周期挪用的DMA方式示意圖。8第八章輸入輸出系統(tǒng)(2)9第八章輸入輸出系統(tǒng)(2)與停止CPU訪內(nèi)的DMA方法比較：周期挪用的方法既實(shí)現(xiàn)了I／O傳送，又較好地發(fā)揮了內(nèi)存和CPU的效率，是一種廣泛采用的方法。但是I／O設(shè)備每一次周期挪用都有申請(qǐng)總線控制權(quán)、建立總線控制權(quán)和歸還總線控制權(quán)的過(guò)程，所以傳送一個(gè)字對(duì)內(nèi)存來(lái)說(shuō)要占用一個(gè)周期，但對(duì)DMA控制器來(lái)說(shuō)一般要2—5個(gè)內(nèi)存周期(視邏輯線路的延遲而定)。因此，周期挪用的方法適用于I／O設(shè)備讀寫(xiě)周期大于內(nèi)存存儲(chǔ)周期的情況。10第八章輸入輸出系統(tǒng)(2)3

6、．DMA與CPU交替訪內(nèi)如果CPU的工作周期比內(nèi)存存取周期長(zhǎng)很多，此時(shí)采用交替訪內(nèi)的方法可以使DMA傳送和CPU同時(shí)發(fā)揮最高的效率。其原理示意圖如圖(c)所示。11第八章輸入輸出系統(tǒng)(2)這種方式不需要總線使用權(quán)的申請(qǐng)、建立和歸還過(guò)程，總線使用權(quán)是分時(shí)控制的。CPU和DMA控制器各自有自己的：訪內(nèi)地址寄存器數(shù)據(jù)寄存器讀／寫(xiě)信號(hào)等控制寄存器。這種傳送方式又稱(chēng)為“透明的DMA”方式。12第八章輸入輸出系統(tǒng)(2)8．3．3基本的DMA控制器1．DMA控制器的基本組成一個(gè)DMA控制器，實(shí)際上是采用DMA方式的外圍設(shè)備與系統(tǒng)總線之間的接口電路。這個(gè)接口電路是在中斷接口的基礎(chǔ)上再加D

7、MA機(jī)構(gòu)組成。下圖示出了一個(gè)最簡(jiǎn)單的DMA控制器組成示意圖：13第八章輸入輸出系統(tǒng)(2)14第八章輸入輸出系統(tǒng)(2)一個(gè)最簡(jiǎn)單的DMA控制器由以下邏輯部件組成：(1)內(nèi)存地址計(jì)數(shù)器用于存放內(nèi)存中要交換的數(shù)據(jù)的地址。在DMA傳送前，須通過(guò)程序?qū)?shù)據(jù)在內(nèi)存中的起始位置(首地址)送到內(nèi)存地址計(jì)數(shù)器。而當(dāng)DMA傳送時(shí)，每交換一次數(shù)據(jù)，將地址計(jì)數(shù)器加“1”，從而以增量方式給出內(nèi)存中要交換的一批數(shù)據(jù)的地址。(2)字計(jì)數(shù)器用于記錄傳送數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度(多少字?jǐn)?shù))。其內(nèi)容是在數(shù)據(jù)傳送之前由程序預(yù)置，交換的字?jǐn)?shù)通常以補(bǔ)碼形式表示。在DMA傳送時(shí)，每