直接存储器访问方式-操作系统原理

1.DMA控制方式的引入

磁盘、磁带等以数据块为单位的存储设备具有容量大、传送速度快的特点。如果仍以中断控制方式实现数据的传送，即每传送一个字节，I/O控制器就向CPU发一次中断，使CPU执行一次中断服务，显然，CPU被中断的次数过多，会降低CPU的工作效率。由于CPU执行中断处理程序，可能延误数据的接收，会导致数据丢失。为了解决这个问题，引入了直接存储器存取（Direct Memory Access，DMA）方式。如果硬件设施中有：DMA控制器，那么操作系统就使用DMA方式，大多数系统中都是这样的。

DMA方式具有以下四个特点：

①数据是在内存和设备之间直接传送的，传送过程中不需要CPU干预。

②仅在一个数据块传送结束后，DMA控制器才向CPU发中断请求。

③数据的传送控制工作完全由DMA控制器完成，速度快，适用于高速设备的数据成组传送。

④在数据传送过程中，CPU与外设并行工作，提高了系统效率。

可以看出，DMA方式与中断控制方式相比，成百倍地减少了CPU对I/O控制的干预，因而，DMA传送的基本思想是用硬件机构实现中断服务程序所要完成的功能。

2.DMA的传送操作

DMA控制器包含几个寄存器，如内存地址寄存器、字节计数寄存器及一个或多个控制寄存器。控制寄存器指明所用的端口、传送的方向（是读还是写）、传送的单位（一次一个字节还是一个字），以及本次传送的字节数。CPU可以读/写这些寄存器。DMA传送操作如图9-2所示。

图9-2　DMA传送操作(www.xing528.com)

DMA的工作过程如下。

①CPU把一个DMA命令块写入内存，该命令块包含传送数据的源地址、目标地址和传送的字节数；CPU把这个命令块的地址写入DMA控制器的寄存器中。CPU向磁盘控制器发送一个命令，让它把数据从磁盘读到内部缓冲区中，并进行校验。然后，CPU就去处理其他任务。当有效数据存入磁盘控制器的缓冲区后，就开始直接存储器存取。

②DMA控制器启动数据传送。通过总线，向磁盘控制器发送一个读（盘）请求，让它把数据传送到指定的内存单元。

③磁盘控制器执行从内部缓冲区到指定内存的数据传送工作，一次传送一个字。

④当把数据字写入内存后，磁盘控制器通过总线向DMA控制器发送一个回答信号。

⑤DMA控制器把内存地址增加1，并且减少字节计数。如果该计数值仍大于0，则重复执行上述步骤②～步骤④，直至计数值为0。此时，DMA控制器中断CPU，告诉CPU传送已经完成。

3.DMA控制器的工作模式

某些DMA控制器可以在每次一字模式和整块模式两种模式下工作。上面所介绍的模式就是每次一字模式，即DMA控制器一次请求传送一个字。在DMA控制器启动数据传送时，它要占用总线。如果此时CPU也想用总线，则CPU必须等待，因为I/O访问的优先权高于CPU访问。在一个数据字从内部缓冲区传送到内存期间，设备控制器偷偷地挪用了CPU的总线周期，即CPU，空出一个总线周期，让磁盘将数据送到内存，所以这种机制也称挪用周期。

在整块模式下，DMA控制器命令设备占用总线，发出一连串数据予以传送，然后释放总线，这种形式的操作也称阵发模式。阵发模式比挪用周期模式效率更高，因为占用总线需要花费时间，而一次传送多个字只需付出一次占用总线的代价。阵发模式的缺点：当进行很长的阵发传送时，会在一段时间内封锁CPU和其他设备。

在上面介绍的每次一字模式中，使用了DMA控制器的内部缓冲区，其作用有如下几点：①磁盘控制器在开始传送之前可以进行校验，以避免传送错误数据；②避免因申请占用总线而延误对后续数据字的接收。因为磁盘控制器把数据直接写到内存时，它必须占用总线来传送每个字。

可以看出，DMA控制方式具有数据成块传送，仅在整块数据传送完成后才中断CPU等特点。但是，并非所有计算机都使用DMA。反对使用DMA的人认为：主CPU往往比DMA控制器的运行速度快得多，可以更快地执行I/O操作。对于低端（嵌入式）计算机来说更是如此。