DMA直接內存存取原理

　　DMA是指外部設備不通過CPU而直接與系統內存交換數據的接口技術。

　　要把外設的數據讀入內存或把內存的數據傳送到外設，一般都要通過CPU控制完成，如CPU程序查詢或中斷方式。利用中斷進行數據傳送，可以大大提高CPU的利用率。

  　　但是采用中斷傳送有它的缺點，對於一個高速I/O設備，以及批量交換數據的情況，只能采用DMA方式，才能解決效率和速度問題。DMA在外設與內存間直接進行數據交換，而不通過CPU，這樣數據傳送的速度就取決於存儲器和外設的工作速度。

　　通常系統的總線是由CPU管理的。在DMA方式時，就希望CPU把這些總線讓出來，即CPU連到這些總線上的線處於第三態--高阻狀態，而由DMA控制器接管，控制傳送的字節數，判斷DMA是否結束，以及發出DMA結束信號。DMA控制器必須有以下功能：

　　1. 能向CPU發出系統保持（HOLD）信號，提出總線接管請求；

　　2. 當CPU發出允許接管信號后，負責對總線的控制，進入DMA方式；

　　3. 能對存儲器尋址及能修改地址指針，實現對內存的讀寫操作；

　　4. 能決定本次DMA傳送的字節數，判斷DMA傳送是否結束

　　5. 發出DMA結束信號，使CPU恢復正常工作狀態。

 

如圖是DMA控制器硬件結構示意圖。

　　DMA的可能引腳說明：

　　數據總線：用於傳送數據。

　　地址總線：用於選擇存儲器地址。

　　數據傳送信號：MEMR為存儲器讀操作信號，MEMW為存儲器寫操作信號，IOR為外設讀操作信號，IOW為外設寫操作信號。

　　DRQ：DMA請求信號。是外設向DMA控制器提出要求DMA操作的申請信號。

　　DACK：DMA響應信號。是DMA控制器向提出DMA請求的外設表示已收到請求和正進行處理的信號。

　　HOLD：總線請求信號。是DMA控制器向CPU要求讓出總線的請求信號。

　　HLDA：總線響應信號，是CPU向DMA控制器表示允許總線請求的應答信號。

5.2 　 DMA工作方式 　　

　　隨着大規模集成電路技術的發展，DMA傳送已不局限於存儲器與外設間的信息交換，而可以擴展為在存儲器的兩個區域之間，或兩種高速的外設之間進行DMA傳送，如圖所示。

　　DMAC是控制存儲器和外部設備之間直接高速地傳送數據的硬件電路，它應能取代CPU，用硬件完成數據傳送的各項功能。

　　各種DMAC一般都有兩種基本的DMA傳送方式：

1. 單字節方式：每次DMA請求只傳送一個字節數據，每傳送完一個字節，都撤除DMA請求信號，釋放總線。

2. 多字節方式：每次DMA請求連續傳送一個數據塊，待規定長度的數據塊傳送完以后，才撤除DMA請求，釋放總線。

　　在DMA傳送中，為了使源和目的間的數據傳送取得同步，不同的DMAC在操作時都受到外設的請求信號或准備就緒信號--Ready信號的限制。

 

5.3 DMA控制器8237

Intel 8237/8237-2是一種高功能的可編程的DMA控制器，采用5MHz的8237-2傳送，速度可達到1.6M字節/秒。

8237的主要功能

8237的DMA傳送有以下四種方式：

1. 單字節傳送方式

2. 數據塊傳送方式

3. 請求傳送方式

4. 級連方式

有一個結束處理的輸入信號EOP，允許外界用此輸入端結束DMA傳送或重新初始化。

8237可以級連，任意擴展通道數。

 

8237的系統結構圖如圖所示。

圖中的通道部分只畫出了一個通道的情況（其實每個通道都有一個一個基地址寄存器（16位）、基字節數計數器（16位）、現行地址寄存器（16位）和現行字節計數器（16位），每一個通道都有一個6位的模式寄存器以控制不同的工作模式）。

8237的內部寄存器類型和數量如表所示。

8237的結構中包含了三個基本的控制邏輯塊：

1. 時序控制邏輯塊；（根據編程規定的DMAC的工作模式，產生包括DMA請求、DMA傳送以及DMA結束所需要的內部時序和外部信號）
2. 程序命令控制塊；(對在DMA請求服務之前，CPU編程時給定的命令字和模式控制字進行譯碼，以確定DMA服務類型)
3. 優先權編碼邏輯。(對同時有請求的通道進行優先編碼，確定哪個通道的優先權最高。在8237中通道的優先權可能是固定的，也可以是旋轉的)

另外，緩沖器、8237的數據引線、地址引線都有三態緩沖器，因而可以接管也可以釋放總線。

 

5.3  DMA控制器8237

8237在設計時規定它有兩種主要的工作周期，即空閑周期和有效周期，每一個周期又是由若干個時鍾周期所組成的。

1. 空閑周期（IDLE CYCLE）

   當8237的任一通道都無請求時，就進入空閑周期，在空閑周期8237始終執行SI狀態，在每一個時鍾周期都采樣通道的請求輸入線DREQ。只要無請求就始終停留在SI狀態。

   在SI狀態可由CPU對8237編程，或從8237讀取狀態(8237在SI狀態也始終采樣選片信號#CS，只要#CS信號變為有效，則為CPU要對8237進行讀/寫操作。當8237采樣到#CS為低（有效）而HRQ也為低（無效），則進入程序狀態CPU就可以寫入8237的內部寄存器，實現對8237的編程或改變工作狀態。在這種情況下，由控制信號#IOR和#IOW，地址信號A3-A0來選擇8237的內部的不同寄存器)。 由於8237內部的地址寄存器和字節數計數器都是16位的，而數據線是8位的，所以，在8237的內部有一個觸發器，稱為高/低觸發器，由它來控制寫入 16位寄存器的高8位還是低8位。8237還具有一些軟件命令，這些命令是通過對地址（A3-A0）和#IOW，#CS信號的譯碼決定的，不使用數據總 線。

2. 有效周期（Active Cycle）

   當8237在SI狀態采樣到外設有請求時，就脫離SI而進入S0狀態。當接收到HLDA，就使8237進入工作狀態，開始DMA傳送。工作狀態由S1、S2、S3、S4組成，以完成數據傳達，若外設的數據傳送速度較慢，不能在S4之前完成，則可由Ready線在S2或S3與S4之間插入SW狀態。

   在存儲器與存儲器之間的傳達，需要完成從存儲器讀和存儲器寫的操作，所以每一次傳達需要8個時鍾周期，在前四個周期S11、S12、S13、S14完成從存儲器讀，另外四個周期S21、S22、S23、S24完成存儲器寫。

 

5.3  DMA控制器8237

8237在DMA傳送時有四種工作方式。

1. 單字節傳送方式

這種方式一次只傳送一個字節。數據傳送后字節計數器減量，地址要相應修改（增量或減量取決於編程）。HRO變為無效，釋放系統總線。若傳送使字節數減為0，TC發生或者終結DMA傳送，或重新初始化。

2．多字節傳送方式

在這種傳送方式下，8237由DREQ啟動后就連續地傳送數據，直至字節數計數器減到零產生TC（Terminal Count），或者由外部輸入有效的EOP信號來終結DMA傳送。

3．請求傳送方式

在這種工作方式下，8237可以進行連續的數據傳送。當出現以下三種情況之一時停止傳送。

   1) 字節數計數器減到0，發生TC；

   2) 由外界送來一個有效的EOP信號；

   3) 外界的DREQ信號變為無效。

   當由於第三種情況使傳送停下來時，8237釋放總線，CPU可以繼續操作。而8237的地址和字節數的中間值，可以保持在相應通道的現行地址和字節數寄存器中。只要外設准備好了要傳送的新的數據，由DREQ再次有效就可以使傳送繼續下去。

 

4. 級連方式

　　這種方式用於通過級連以擴展通道的情況。第二級的HRQ和HLDA信號連到第一級的DREQ和DACK上，如圖所示。

　　第二級各個芯片的有限權等級與所連的通道相對應。在這種工作情況下，第一級只起優先權網絡的作用，除了由某一個二級的請求向CPU輸出HRQ信號外，並不輸出任何其他信號。實際的操作是由第二級的芯片完成。若有需要還可由第二級擴展到第三級等等。

 

 

 

　8237共有9類寄存器，分別是現行地址寄存器、現行字節數寄存器、基地址和基字節數寄存器、命令寄存器、模式寄存器、請求寄存器、屏蔽寄存器、狀態寄存器、臨時寄存器。

　　1. 現行地址寄存器

　 　每一個通道有一個16位的現行地址寄存器。在這個寄存器中保存着用於DMA傳送的地址值，在每次傳送后，這個寄存器的值自動增量或減量。這個寄存器的值 可由CPU寫入或讀出（分兩次連續操作）。若編程為自動初始化，則在每次EOP后，將其初始值（即保持在基地址寄存器中的值）轉入寄存器。

　　2. 現行字節數寄存器

　　每個通道有一個16位的現行字節數寄存器。它保持着要傳送的字節數，在每次傳送后此寄存器減量。當這個寄存器的值減為零時，TC將產生。這個寄存器的值在編程狀態可由CPU讀出和寫入。在自動初始化情況下當EOP產生時，它的值可初始化到其始狀態。

　　3. 基地址和基字節數寄存器

　　每個通道有一對16位的基地址和基字節數寄存器。它們存放着與現行寄存器相聯系的初始值。在自動初始化情況下。這兩個寄存器中的值，用來恢復相應的現行寄存器中的初始值。在編程狀態，基寄存器與它們相應的現行寄存器是同時由CPU寫入的。這些寄存器的內容不能讀出。

 

4. 命令寄存器

　　這是一個8位的寄存器，用以控制8237的工作命令字的格式如圖所示。

　　D0位用來規定是否工作在存儲器到存儲器傳送方式。

　　D4位用來選擇是固定優先權還是優先旋轉。8237有兩種優先權方式可供選擇，一種是固定優先權，在這種方式下通道的優先權是固定的，通道0的優先權最高，通道3的優先權最低；另一種方式是優先權旋轉，在這種方式下剛服務過的通道的優先權變為最低，其他通道的優先權也作相應的旋轉，如下圖所示。

　　命令寄存器可由CPU寫入進行編程，復位信號使其清零。

 

5. 模式寄存器

   每個通道有一對8位的模式寄存器以規定通道的工作模式，如圖所示。

   在編程時用最低兩位來選擇寫入哪個通道的模式寄存器。

   最高兩位（D7、D6）規定了四種工作模式中的某一種，D3、D2兩位規定是DM讀還是DMA寫或是校驗操作。

   D5位用於規定地址是增量修改還是減量修改。

   D4位規定是否允許自動初始化。若工作在自動初始化方式，則每當產生EOP信號時（不論是由內部的TC產生或是由外界產生）都是基地址寄存器和基字節數寄 存器的內容，使相應的現行寄存器恢復初始值。而現行寄存器和基寄存器的內容，是由CPU編程時同時寫入的，但在DMA傳送過程中，現行寄存器的內容是不斷 修改的，而基寄存器的內容則維持不變（除非重新編程）。在自動初始化以后通道就做好了進行另一次DMA傳送的准備。

 

6. 請求寄存器

8237的每個通道有一條硬件的DREQ請求線，當工作在數據塊傳送方式時，也可以由軟件發出DREQ請求。所以，在8237中有一種請求寄存器，如圖5-10所示。

每個通道的軟件請求可以分別設置。軟件請求是非屏蔽的，它們的優先權同樣受優先權邏輯的控制。

軟件請求位由TC或外部的EOP復位。Reset信號使整個寄存器清除。

只有在數據塊傳送方式，才允許使用軟件請求，若用於儲存器到儲存器傳送，則0通道必須用軟件請求，以啟動傳送過程。

 

7. 屏蔽寄存器

　　每個通道外設通過DREQ發出的請求，可以單獨地屏蔽或允許，所以在8237中有一個屏蔽寄存器，如圖所示。

　　在Reset信號作用后，四個通道全置於屏蔽狀態，所以，必須在編程時，根據需要復位屏蔽位。當某一個通道進行DMA傳送后，產生EOP信號，如果不是工作在自動初始化方式，則這一通道的屏蔽位置位，必須再次編程為允許，才能進行下一次的DMA傳送。

　　也可以用如圖(b)所示的格式，在一個命令字中對4個通道的屏蔽情況進行編程。

 

8. 狀態寄存器

　　8237中有一個可由CPU讀取的狀態寄存器，如圖所示。

　　狀態寄存器中的低4位，反映了在讀命令這個瞬間，每個通道的字節數是否已減到零。高4位反映每個通道的請求情況。

 

9. 臨時寄存器

  　　在存儲器到存儲器的傳送方式下，臨時寄存器保存從源單元讀出的數據，又由它寫入至目的單元。在傳送完成時，它保留傳送的最后一個字節，此字節可由CPU讀出。Ready信號使其復位。

　　如上所術，8237內部存寄存器可以分成兩大類，一類是通道寄存器，即每個通道都有的現行地址寄存器，現行字節數寄存器和基地址及基字節數寄存器；另一類是控制和狀態寄存器。這些寄存器是由最低4位地址A3-A0以及讀寫命令來區分的。

　　通道寄存器的尋址格式

　　控制和狀態寄存器的尋址如下表所示。

寄存器	操作	信號 #CS #IOR #IOW A3 A2 A1 A0
命令	寫	0 　　1 　0　　1　0　0　0
模式	寫	0 　　1 　0　　1　0　1　1
請求	寫	0 　　1 　0　　1　0　0　1
屏蔽	置位/復位	0 　　1 　0　　1　0　1　0
屏蔽	寫	0 　　1 　0　　1　1　1　1
臨時	讀	0 　　0 　1　　1　1　0　1
狀態	讀	0 　　0 　1　　1　0　0　0

1. 軟件命令

　　8237在編程狀態還有兩種軟件命令，軟件命令不需要通過數據總線寫入控制字，而由8237直接對地址和控制信號進行譯碼。命令的格式如下表所示。

　　1) 清除高/低觸發器

　　2)  主清除命令

信號 A3 　A2 　A1　A0　#IOR　#IOW	操作
1　　0　　0　　0　　0 　　1	讀狀態寄存器
1　　0　　0　　0　　1 　　0	寫命令寄存器
1　　0　　0　　1　　0 　　1	非法
1　　0　　0　　1　　1 　　0	寫請求寄存器
1　　0　　1　　0　　0 　　1	非法
1　　0　　1　　0　　1 　　0	寫單屏蔽寄存器位
1　　0　　1　　1　　0 　　1	非法
1　　0　　1　　1　　1 　　0	寫模式寄存器
1　　1　　0　　0　　0 　　1	非法
1　　1　　0　　0　　1 　　0	清高/低觸發器命令
1　　1　　0　　1　　0 　　1	讀臨時寄存器
1　　1　　0　　1　　1 　　0	主清除命令
1　　1　　1　　0　　0 　　1	非法
1　　1　　1　　0　　1 　　0	非法
1　　1　　1　　1　　0 　　1	非法
1　　1　　1　　1　　1 　　0	寫所有屏蔽位

2. 8237的編程步驟

　　1) 輸出主清除命令

　　2) 寫入基與現行地址寄存器

　　3) 寫入基與現行字節數寄存器

　　4) 寫入模式寄存器

　　5) 寫入屏蔽寄存器

　　6) 寫入命令寄存器

　　7) 寫入請求寄存器。若有軟件請求，就寫入指定通道，可以開始DMA傳送的過程。若無軟件請求，則在完成了（1）--（6）的請求后，由通道的DREQ啟動DMA傳送過程。

 

3. 編程舉例

　　若要利用通道0，由外設（磁盤）輸入32K字節的一個數據塊，傳送至內存8000H開始的區域（增量傳送），采用塊連續傳送的方式，傳送完不自動初始化，外設的DREQ和DACK都為高電平有效。

　　要編程首先要確定端口地址。地址的低4位用以區分8237的內部寄存器，高4位地址A7--A4經譯碼后，連至選片端#CS，假定選中時高4位為5。

　　初始化程序如下：

OUT 5DH， AL ；輸出主清除命令
MOV AL， 00H
OUT 50H， AL ；輸出基和現行地址的低8位
MOV AL， 80H
OUT 50H， AL ；輸出基和現行地址的高8位
MOV AL， 00H
OUT 51H， AL
MOV AL， 80H
OUT 51H， AL ；給基和現行字節數賦值
MOV AL， 84H
OUT 5BH， AL ；輸出模式字
MOV AL， 00H
OUT 5AH， AL ；輸出屏蔽字
MOV AL， 0A0H
OUT 58H， AL ；輸出命令字

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