直接存储器存取I/O控制方式

1.DMA控制方式

虽然中断I/O控制方式消除了程序直接I/O控制方式的重复测试，但数据传输仍以字（字节）为单位，即设备每完成一个字（字节）的传输后，设备控制器就要向CPU发一次中断。另外，内存与设备控制器之间传送数据仍需要CPU干预。尽管这种控制方式可以满足低速字符设备的I/O要求，但用于块设备的I/O却十分低效。

目前在块设备的I/O系统中，普遍采用直接存储器存取（Direct Memory Access，DMA）I/O控制方式，即DMA控制方式。在该方式中，外部设备在DMA控制器支持下绕过CPU直接与内存交换数据，每次交换可以传送一个数据块，在每个数据块的传送期间无须CPU的干预。DMA控制方式下的地址总线和数据总线以及一些控制信号线都是与CPU共用的。平时这些总线和控制信号线由CPU管理使用，当采用DMA进行直接内存数据交换时，DMA采取挪用CPU工作周期和DMA控制器总线控制权的方法，由DMA控制器接管CPU所管理的总线，然后由DMA控制器控制外部设备与内存之间的成批数据传送，在所有数据传送完成后由CPU回收总线控制权。即DMA控制方式进一步减少了CPU对I/O过程的干预，从每传输一个字（字节）干预一次减少到每传输一个数据块干预一次。因此，这是一种效率很高的传输方式。

DMA控制方式具有以下3个方面的特点：

（1）内存与设备之间以数据块为单位进行数据传输，即每次至少传输一个数据块；

（2）DMA控制器获得总线控制权而直接与内存进行数据交换，CPU不介入数据传输事宜；

（3）CPU仅在数据块传送的开始和结束时进行干预，而数据块的传输和I/O管理均由DMA控制器负责。

注意：DMA控制方式实际上有以下3种。

（1）周期窃取方式。在每一条指令执行结束时，CPU测试有无DMA服务申请，如果有，则CPU进入一个DMA周期，即借用一个CPU的工作周期来完成数据交换工作。采用周期窃取方式内存不与外部设备直接相连接，而只与CPU连接，外部设备与内存的数据交换与程序直接I/O控制方式和程序中断I/O控制方式一样都要占用CPU的时间。

（2）直接存取方式。真正的DMA控制方式，DMA控制器的数据传送申请不是发向CPU，而是直接发往内存。在得到内存的响应之后，整个数据传送工作全部在DMA控制器中用硬件完成。

（3）数据块传送方式。数据块传送方式是一次传送一个数据块，即在每次中断I/O过程中是以数据块为单位获得或发送数据的，这一点与上面两种DMA控制方式相同，因此通常也把这种I/O方式归入DMA控制方式。

需要注意的是，直接存取方式是在设备控制器中设置一个比较大的数据缓冲存储器，一般要能够存放下一个数据块，设备控制器与内存之间的数据交换以数据块为单位，一次传送一批数据，并采用程序中断方式进行，这一点与一次只传送一个数据块的数据块传送方式不同。

2.DMA控制器的组成

DMA控制器由三部分组成：主机与DMA控制器的接口；DMA控制器与块设备的接口；I/O控制逻辑。我们主要介绍主机与DMA控制器之间的接口。(www.xing528.com)

为了实现主机与DMA控制器之间成块数据的直接交换，必须在DMA控制器中设置以下4类寄存器。

（1）命令/状态寄存器（CR）。用于接收从CPU发来的I/O命令或控制信息，或者存放设备的状态。

（2）内存地址寄存器（MAR）。在输入时（从设备传送到内存）存放数据在设备（如磁盘）的起始地址；在输出时（从内存传送到设备）存放数据在内存的源地址。

（3）数据寄存器（DR）。用于暂存从设备到内存或从内存到设备的数据。

（4）数据计数器（DC）。用于记录本次要读/写的字（字节）数。

3.DMA控制方式的处理过程

DMA控制方式传送数据的步骤如下。

（1）进程请求I/O时，CPU就向DMA控制器发出一条“0”命令，该命令被送至命令状态寄存器。同时，CPU挪用一个系统总线周期（工作周期），将准备存放输入数据的内存起始地址（或准备输出数据的内存源地址），以及要传送的字（字节）数分别存入内存地址寄存器和数据计数器，且将磁盘中的源地址（或目标地址）直接送入DMA控制器的I/O控制逻辑，然后启动DMA控制器进行数据传送。

（2）CPU将总线让给DMA控制器，由DMA控制器获得总线控制权来控制数据的传输。在DMA控制器控制数据传输期间，CPU不使用总线。

（3）DMA控制器按照内存地址寄存器的指示，不断在设备与内存之间进行数据传输，并随时修改内存地址寄存器和数据计数器的值。当一个数据块传输完毕或数据计数器的值减少到0时（所有数据都已传输完毕），传输停止并且向CPU发出中断信号。

（4）CPU响应：DMA控制器的中断请求。如果数据传输完成，则转向相应的中断处理程序进行后续处理；如果还有数据需要传输，则按照相同方法重新启动剩余数据的传送。

DMA控制方式与中断I/O控制方式相比，减少了CPU对I/O的干预，进一步提高了CPU与I/O设备之间的并行能力。DMA控制方式是在一个数据块传输完毕后发出中断，而中断I/O控制方式则在每个单位（字或字节）数据传输结束后发出中断，显然DMA控制方式的效率要高得多。在DMA控制方式中，CPU只是在每个数据块传输的开始和结束实施控制，在数据块的传输过程中则由DMA控制器控制，而中断I/O控制方式的数据传输则始终都是在CPU的控制下完成的。