计算机组成原理第四章（输入输出系统）—第六节（DMA方式）

原创最新推荐文章于 2026-03-13 00:20:11 发布 3.1k 阅读 AI写同款

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计算机组成原理笔记

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【专栏必读】王道考研408计算机组成原理万字笔记使用说明及章节导航本文是为准备408王道计算机组成原理考试的学生精心整理的万字笔记，涵盖了从计算机系统概述、数据表示和运算到存储系统、指令系统等多个章节的重点内容。本文强调了学习笔记的重要性，并分享了学习建议，如按视频课逻辑记录，建立学科框架。笔记详细记录了每章的关键知识点，包括存储器、CPU、I/O系统的工作原理，还附带了习题和思维导图，旨在帮助考生高效复习。阅读详情

AI摘要

本文详细介绍了DMA方式的特点、DMA接口与CPU争用主存的解决方案，以及DMA接口的功能、组成和工作过程。对比了DMA方式与程序中断在数据传输、响应时间和优先级等方面的差异，并讨论了选择型和多路型DMA接口的应用场景。

写在前面：

本系列笔记主要以《计算机组成原理（唐朔飞）》为参考，大部分内容出于此书，笔者的工作主要是挑其重点展示，另外配合下方视频链接的教程展开思路，在笔记中一些比较难懂的地方加以自己的一点点理解（重点基本都会有标注，没有任何标注的难懂文字应该是笔者因为强迫症而加进来的，可选择性地忽略）。
视频链接：计算机组成原理（哈工大刘宏伟）135讲（全）高清_哔哩哔哩_bilibili

一、概述

1、DMA方式的特点

（1）下图示意了DMA方式与程序中断方式的数据通路，主存和DMA接口之间只有一条数据通路，因此主存和设备交换信息时是不需要通过CPU的，CPU也不需要暂停现行程序为设备服务，省去了保护现场和恢复现场的工作，工作速度比程序中断方式要快不少，这一特点特别适合于高速I/O或辅存与主存之间的信息交换。

（2）若出现高速I/O（通过DMA接口）和CPU同时访问主存的情况，CPU必须将总线（如地址线、数据线）的占有权让给DMA接口使用，即DMA采取周期窃取的方式占用一个存取周期。

2、DMA接口与CPU争用主存的三种解决方法

（1）停止CPU访存：

当外设要求传送一批数据时，由DMA接口向CPU发一个停止信号，要求CPU放弃地址线、数据线和有关控制线的使用权，DMA接口获得总线控制权后开始进行数据传送，在数据传送结束后DMA接口通知CPU可以使用主存，并把总线控制权交回给CPU。

这种方式的优点是控制简单，适用于数据传输率很高的I/O设备实现成组数据的传送；缺点是DMA接口在访问主存时，CPU基本上处于不工作状态或保持原状态，而且即使I/O设备高速运行，两个数据之间的准备间隔也总大于一个存取周期，因此CPU对主存的利用率并没得到充分发挥。

（2）周期挪用（或周期窃取）：

每当I/O设备发出DMA请求时，I/O设备便挪用或窃取总线占用权一个或几个存取周期，而DMA不请求时，CPU仍继续访问主存。

I/O设备请求DMA传送会遇到三种情况：

①CPU此时不需要访存（比如CPU正在执行耗时较长的乘法指令），I/O设备与CPU不发生冲突。

②I/O设备请求DMA传送时，CPU正在访问主存，此时必须待存取周期结束，CPU才能将总线占有权让出。

③I/O设备要求访问主存时，CPU也要求访问主存，二者产生访问冲突，此时I/O访存优先于CPU访存，因为I/O不立即访问主存就可能会丢失数据，这时I/O要窃取一两个存取周期，意味着CPU在执行访问主存指令过程中插入了DMA请求，并挪用了一两个存取周期，使CPU延缓了一两个存取周期再访问主存。

（3）DMA与CPU交替访问：

这种方法适合于CPU的工作周期比主存存取周期长的情况，CPU的工作周期可分为两个分周期，其中一个周期专供DMA访存，另一个周期专供CPU访存，CPU本身也不会停止主程序的运行，不会进入等待状态。

这种方式不需要总线使用全的申请、建立和归还过程，总线使用权是通过两个分周期分别控制的。

二、DMA接口的功能和组成

1、DMA接口的功能

（1）向CPU申请DMA传送。

（2）在CPU允许DMA工作时，处理总线控制权的转交，避免因进入DMA工作而影响CPU正常活动或引起总线竞争。

（3）在DMA期间管理系统总线，控制数据传送。

（4）确定数据传送的起始地址和数据长度，修正数据传送过程中的数据地址和数据长度。

（5）在数据块传送结束时，给出DMA操作完成的信号。

2、DMA接口的组成

（1）主存地址寄存器（AR）

AR用于存放主存中需要交换数据的地址。在DMA传送数据前，必须通过程序将数据在主存中的首地址送到主存地址寄存器；在DMA传送过程中，每交换一次数据，将地址寄存器的内容加1，直到一批数据传送完毕为止。

（2）字计数器（WC）

WC用于记录传送数据的总字数，通常以交换字数的补码值预置。在DMA传送过程中，每传送一个字，字计数器加1，直到计数器为0，即最高位产生进位时，表示该批数据传送完毕（若交换字数以原码值预置，则每传送一个字，字计数器减1，直到计数器为0时，表示该批数据传送结束），DMA接口随即向CPU发中断请求信号。

（3）数据缓冲寄存器（BR）

BR用于暂存每次传送的数据。通常DMA接口与主存之间采用字传送，而DMA与设备之间可能是字节或位传送，因此DMA接口中还可能包括有装配或拆卸字信息的硬件逻辑，如数据移位缓冲寄存器、字节计数器等。

（4）DMA控制逻辑

DMA控制逻辑负责管理DMA的传送过程，由控制电路、时序电路及命令状态控制寄存器等组成。每当设备准备好一个数据字（或一个字传送结束），就向DMA接口提出申请（DERQ），DMA控制逻辑便向CPU请求DMA服务，发出总线使用权的请求信号（HRQ），待收到CPU发出的响应信号HLDA后，DMA控制逻辑便开始管理DMA传送的全过程，包括对主存寄存器和字计数器的修改、识别总线地址、指定传送类型（输入或输出）以及通知设备已经被授予一个DMA周期（DACK）等。

（5）中断机构

当字计数器溢出（全“0”）时，表示一批数据交换完毕，由“溢出信号”通过中断机构向CPU提出中断请求，请求CPU作DMA操作后的处理。需要说明的是，这里的中断不是为了传送数据，只是为了报告一批数据传送结束。

（6）设备地址寄存器（DAR）

DAR存放I/O设备的设备码或表示设备信息存储区的寻址信息，如磁盘数据所在的区号、盘面号和柱面号，具体内容取决于设备的数据格式和地址的编址方式。

三、DMA的工作过程

1、DMA传送过程

（1）预处理阶段：

在DMA接口开始工作之前，CPU必须对其进行配置相关信息：

①给DMA控制逻辑指明数据传送方向是输入（写主存）还是输出（读主存）。

②向DMA设备地址寄存器送入设备号，并启动设备。

③向DMA主存地址寄存器送入交换数据的主存起始地址。

④对字计数器赋予交换数据的个数。

上述工作由CPU执行几条输入输出指令完成，即程序的初始化阶段，这些工作完成后，CPU继续执行原来的程序。

当I/O设备准备好发送的数据（输入）或上次接收的数据已经处理完毕（输出）时，它便通过DMA接口向CPU提出占用总线的申请，若有多个DMA同时申请，则按轻重缓急由硬件排队器的判优逻辑决定优先级，待I/O设备得到主存总线的控制权后，数据的传送便由该DMA接口进行管理。

（2）数据传送阶段：

DMA方式是以数据块为单位传送的，下图所示的示意图，是以周期挪用的DMA方式为例的。

数据输入的具体过程如下：

①当设备准备好一个字时，发出选通信号，将该字读到DMA的数据缓冲寄存器中，表示数据缓冲寄存器“满”。

②数据缓冲寄存器“满”的同时设备向DMA接口发送请求（DERQ）。

③DMA接口向CPU申请总线控制权（HRQ）。

④CPU发回HLDA信号，表示允许将总线控制权交给交给DMA接口。

⑤将DMA主存地址寄存器中的主存地址送地址总线，并命令存储器写。

⑥通知设备已被授予一个DMA周期（DACK），并为交换下一个字节做准备。

⑦将DMA数据缓冲寄存器的内容送数据总线。

⑧主存将数据总线上的信息写至地址总线指定的存储单元中。

⑨修改主存地址和字计数值。

⑩判断数据块是否传送结束，若未结束就继续传送，若已结束（字计数器溢出）则向CPU申请程序中断，标志数据块传送结束。

数据输出的具体过程如下：

①当DMA数据缓冲寄存器已将输出数据送至I/O设备后，表示数据缓冲寄存器已“空”。

②设备向DMA接口发请求（DREQ）。

③DMA接口向CPU申请总线控制权（HRQ）。

④CPU发回HLDA信号，表示允许将总线控制权交给DMA接口使用。

⑤将DMA主存地址寄存器中的主存地址送地址总线，并命令存储器读。

⑥通知设备已被授予一个DMA周期（DACK），并为交换下一个字做准备。

⑦主存将相应地址单元的内容通过数据总线读入DMA的数据缓冲寄存器中。

⑧将DMA数据缓冲寄存器的内容送到输出设备，若为字符设备则需将其拆成字符输出。

⑨修改主存地址和字计数值。

⑩判断数据块是否传送完毕，若未完毕就继续传送，若已传送完毕（字计数器溢出）则向CPU申请程序中断，标志数据块传送结束。

（3）后处理阶段：

当DMA的中断请求得到响应后，CPU停止原程序的执行，转去执行中断服务程序，做一些DMA的结束工作，其中包括校验送入主存的数据是否正确、决定是否继续用DMA传送其它数据块（若继续传送则需要再一次对DMA接口进行初始化，反之则停止外设）、测试在传送过程中是否发生错误（若出错则需要转错误诊断程序及处理错误程序）。