组成原理(二十)：输入输出系统之 DMA方式及其接口
1、DMA方式
DMA方式为了主存与外设之间实现高速、批量数据交换而设置的。DMA方式的数据传送直接依靠硬件(DMA控制器)来实现，不需要执行任何程序。
直接访问存储器访问(Direct Memory Access，DMA)方式是在外设和主存之间开辟一条"直接数据通道"。在DMA传送方式中，对数据传送过程进行控制的硬件称为DMA控制器。
当外设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。
2、DMA与中断的区别
中断的方式是切换程序，需要保护和恢复现场；而DMA方式除了开始和结尾时，不占用CPU的任何资源。
对中断请求的响应时间只能发生在每条指令执行完毕时；对DMA请求的响应时间可以发生在每个机器周期结束时。
中断传送过程需要CPU的干预；DMA传送过程不需要CPU的干预，所以数据传输效率非常高，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。
中断方式具有对异常事件的处理能力，而DMA方式仅局限于完成传送数据块的I/O操作。
3、DMA接口
DMA方式的接口电路称为DMA控制器。
3.1、DMA控制器的功能
在DMA传送过程中，DMA控制器将接管CPU的地址总线、数据总线和控制总线，CPU的主存控制信号被禁止使用。
DMA控制器在外设和主存之间直接传送数据期间，完全代替CPU进行工作。
主要功能有：
1、接受外设发出的DMA请求，并向CPU发出总线请求；
2、当CPU响应此总线请求，发出总线响应信号后，接管对总线的控制，进入DMA操作周期；
3、确定传送数据的主存单元地址及传送长度，并能自动秀爱主存地址计数值和传送长度计数值；
4、规定数据在主存和外设之间的传送方向，发出读写或其他控制信号，并执行数据传送的操作；
5、向CPU报告DMA操作的结束。
3.2、DMA控制器的基本组成
3.2.1、主存地址计数器
主存地址计数器用来存放待交换数据的主存地址。该计数器的初始值为主存缓冲区的首地址，当DMA传送时，每传送一个数据，将地址计数器加1，从而以增量方式给出主存中要交换的一批数据的地址，直至这批数据传送完毕为止。
3.2.2、传送长度计数器
传送长度计数器用来记录传送数据块的长度。初始值为传送数据的总字数或总字节数，每传送一个字或一个字节，计数器自动减1，当其内容为0时，表示数据已全部传送完毕。
3.2.3、数据缓冲寄存器
数据缓冲寄存拿起用来暂存每次传送的数据。输入时，数据由外设先送往数据缓冲寄存器，再通过数据总线送到主存。反之，输出时，数据由主存通过数据总线送到数据缓冲寄存器，然后再送到外设。
3.2.4、DMA请求触发器
每当外设准备好数据后给出一个控制信号，使DMA请求触发器置位。
3.2.5、中断机构
当一个数据块传送完毕后触发中断机构，向CPU提出中断请求，CPU将进行DMA传送的结尾处理。
4、DMA传送方法
DMA控制器与CPU常采用3种方式使用主存。
4.1、CPU停止访问主存法
用DMA请求信号，使CPU让出总线控制权。CPU在现行机器周期执行完成后，使数据、地址总线处于三态，并输出总线批准信号。
每次DMA请求获得批准，DMA控制器获得总线控制权后，连续占用若干个存取周期进行成组连续的数据传送，直至批量传送结束，DMA控制器才把总线控制权交回CPU。在DMA操作期间，CPU处于保持状态，停止访问主存，仅能进行一些与总线无关的内部操作。
4.2、存储器分时法
把原来的一个存取周期分成两个时间片，一片分为CPU，一片分给DMA，使CPU和DMA交替的访问主存。
4.3、周期挪用法
前两种方法的折中，当外设没有DMA请求时，CPU按程序要求访问主存；一旦外设有DMA请求并获得CPU批准后，CPU让出一个周期的总线控制权，有DMA控制器控制系统总线，挪用一个存取周期进行一次数据传送，传送一个字节或一个字。然后DMA控制器将总线控制权交回CPU，CPU继续进行自己的操作，等待下一个DMA请求的到来。
5、DMA的传送过程
DMA传送过程分为3个阶段：DMA传送前的预处理，数据传送和传送后的结束处理。
5.1、DMA预处理
在DMA传送之前，必须做好准备工作，即初始化。由CPU完成，CPU首先执行几条I/O指令，用于测试外设的状态。
5.2、数据传送
DMA的数据传送可以以单字节(或字)为基本单位，也可以以数据块为基本单位。对于以数据块为单位的传送，DMA控制器占用总线后的数据输入和输出操作都是通过循环来实现的。
5.3、DMA后处理
当传送长度技术器到0时，DMA操作结束，DMA控制器向CPU发出中断请求，CPU停止原来程序的执行，转去执行中断服务程序做DMA结束处理工作。
