计算机组成原理——输入/输出系统（十七）

人生最暗的夜，恰是抬头可见星辰的时刻。那些让你喘不过气的压力，是蜕变的茧房；那些被汗水浸透的清晨，终将化作破晓的光。不必羡慕他人的花开，你的根系正穿透岩层汲取力量，正如深海中的微光总在无人处酝酿璀璨。奔跑时不必害怕摔倒，因为真正定义你的，从来不是脚下踉跄的沙砾，而是眼中始终燃烧的远方。记住：没有一座高山拒绝攀登者的脚步，正如黎明永远不会辜负彻夜执灯的人——你的故事，正在翻越山脊的途中写成史诗。

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目录

9.4 DMA方式

9.4.1 DMA基本概念

定义与特点

与传统传输对比

9.4.2 DMA传送方式

1. 单字节传输模式

2. 块传输模式

3. 请求传输模式

9.4.3 基本DMA控制器

核心组件

工作流程（时序图描述）

9.4.4 DMA控制器类型

1. 独立DMA控制器（如8237A）

2. 集成DMA控制器

3. 多通道DMA

9.5 通道方式和I/O处理机方式

9.5.1 通道方式

通道结构体系

通道程序示例

执行过程

9.5.2 I/O处理机方式

架构演进

Intel I/O处理器示例

典型应用场景

关键技术对比表

代码案例详解

DMA内存到外设传输（Linux驱动示例）

总结与展望

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9.4 DMA方式

9.4.1 DMA基本概念

定义与特点

DMA（Direct Memory Access）是一种无需CPU参与的数据传输技术，特点：

• 传输速率高：可达数GB/s
• 节省CPU资源：CPU仅需初始化传输，无需处理每个字节
• 适用场景：高速设备（磁盘、网卡、显卡）的批量数据传输

与传统传输对比

传输方式	CPU参与度	适用场景	典型速率
程序控制	100%	低速设备	<1MB/s
中断驱动	50-80%	中速设备	1-10MB/s
DMA	<5%	高速设备	100MB/s - 10GB/s

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9.4.2 DMA传送方式

1. 单字节传输模式

C

// 伪代码示例
void dma_transfer_single(void* src, void* dest, int size) {dma_init(src, dest, size);while(!dma_check_complete()) {// 等待每次传输完成中断// CPU可执行其他任务}
}

特点：

• 每次传输1字节后释放总线
• 总线占用率高但延迟低

2. 块传输模式

ASSEMBLY

; 汇编示例（x86）
mov DX, DMA_MODE_REG   ; 设置块传输模式
mov AL, BLOCK_MODE_CODE
out DX, AL

特点：

• 连续传输整个数据块
• 总线独占直至传输完成
• 适合大数据量传输

3. 请求传输模式

工作流程：

1. 设备发出DREQ请求
2. DMA接管总线
3. 传输直至：
   • 数据块传输完成
   • 外部EOP信号
   • DREQ失效

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9.4.3 基本DMA控制器

核心组件

寄存器	位宽	功能描述
地址寄存器	32/64位	存储内存起始地址
计数寄存器	16/32位	记录剩余传输字节数
控制寄存器	8/16位	设置传输方向、模式等参数

工作流程（时序图描述）

1. CPU初始化DMA参数
2. 外设发起传输请求（DREQ）
3. DMA向CPU申请总线（HRQ）
4. CPU响应后进入HLDA状态
5. DMA执行数据传输
6. 传输完成发送中断信号

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9.4.4 DMA控制器类型

1. 独立DMA控制器（如8237A）

引脚配置示例：

引脚  功能
HRQ  总线请求
HLDA 总线应答
DREQ0-3 设备请求线
DACK0-3 设备应答线

2. 集成DMA控制器

现代SoC典型配置：

C

// ARM Cortex-M DMA结构体
typedef struct {__IO uint32_t CCR;     // 配置寄存器__IO uint32_t CNDTR;   // 数据数量寄存器__IO uint32_t CPAR;    // 外设地址__IO uint32_t CMAR;    // 内存地址
} DMA_Channel_TypeDef;

3. 多通道DMA

通道优先级处理算法：

1. 固定优先级
2. 循环优先级
3. 带宽加权分配

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9.5 通道方式和I/O处理机方式

9.5.1 通道方式

通道结构体系

CPU → I/O通道 → 设备控制器 → 外设

通道类型对比：

类型	并行能力	适用场景
选择通道	单设备	高速设备（磁带机）
多路通道	多设备	中速设备群
数组多路通道	分时复用	磁盘阵列

通道程序示例

; IBM通道命令字（CCW）
CCW1: 02 000000 80 000050 ; 读操作，数据地址000000，长度80
CCW2: 08 000000 00 000000 ; 控制命令，结束链

执行过程

1. CPU发出START IO指令
2. 通道获取CCW链
3. 执行通道程序
4. 通过CSW（通道状态字）报告结果

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9.5.2 I/O处理机方式

架构演进

传统：CPU → 设备控制器
DMA： CPU → DMA → 设备
通道：CPU → 通道 → 设备
IOP： 独立I/O处理机

Intel I/O处理器示例

C

// 数据搬运任务描述符
struct iop_task {uint32_t src_addr;uint32_t dest_addr;uint32_t length;uint32_t control; // 加密/校验使能位struct iop_task* next;
};// 提交任务
void iop_submit(struct iop_task* task) {memory_barrier();*IOP_QUEUE_TAIL = task;
}

典型应用场景

1. RAID控制器：硬件级数据条带化
2. 网络处理器：TCP/IP协议栈卸载
3. GPU：图形流水线处理

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关键技术对比表

特性	DMA	通道方式	I/O处理机
智能化程度	低（需CPU配置）	中（执行通道程序）	高（完整指令集）
最大传输速率	10GB/s	2GB/s	100GB/s+
典型延迟	1-10μs	5-50μs	0.1-1μs
多任务支持	多通道分时	通道程序控制	多核并行处理
编程复杂度	低	中	高
成本	$0.1-1	$1-10	$10-100+

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代码案例详解

DMA内存到外设传输（Linux驱动示例）

C

#include <linux/dma-mapping.h>dma_addr_t dma_handle;
void* buffer = dma_alloc_coherent(dev, size, &dma_handle, GFP_KERNEL);struct dma_device *dma_dev = filter->dma_chan->device;
struct dma_async_tx_descriptor *tx_desc;tx_desc = dma_dev->device_prep_dma_memcpy(dma_chan, dest_addr, src_addr, size, DMA_CTRL_ACK);dma_cookie_t cookie = dmaengine_submit(tx_desc);
dma_async_issue_pending(dma_chan);

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总结与展望

未来发展趋势：

1. CXL协议下的DMA新形态
2. 智能网卡中的可编程I/O引擎
3. 存算一体架构中的DMA优化

关键技术挑战：

• 安全防护（DMA攻击防范）
• 缓存一致性维护
• 异构计算资源调度