DMA控制接口

DMA控制器的一般结构和概要

1、DMA概述

为了提高数据传送的速率，人们提出了直接存储器存取(DMA)的数据传送控制方式，即在一定时间段内，由DMA控制器取代CPU，获得总线控制权，来实现内存与外设或者内存的不同区域之间大量数据的快速传送。

2、DMA数据传送的工作过程

① 外设向DMAC发出DMA传送请求。
② DMAC通过连接到CPU的HOLD信号向CPU提出DMA请求。
③ CPU在完成当前总线操作后会立即对DMA请求做出响应。CPU的响应包括两个方面：
一方面，CPU将控制总线、数据总线和地址总线浮空，即放弃对这些总线的控制权；
另一方面，CPU将有效的HLDA信号加到DMAC上，用此来通知DMAC，CPU已经放弃了总线的控制权。
⑤ 待CPU将总线浮空，即放弃了总线控制权后，由DMAC接管系统总线的控制权，并向外设送出DMA的应答信号。
⑥ 由DMAC送出地址信号和控制信号，实现外设与内存或内存不同区域之间大量数据的快速传送。
⑦ DMAC将规定的数据字节传送完之后，通过向CPU发HOLD信号，撤消对CPU的DMA请求。CPU收到此信号，一方面使HLDA无效，另一方面又重新开始控制总线，实现正常取指令、分析指令、执行指令的操作。

需要注意的是，在内存与外设之间进行DMA传送期间，DMAC控制器只是输出地址及控制信号，而数据传送是直接在内存和外设端口之间进行的，并不经过DMAC；对于内存不同区域之间的DMA传送，则应先用一个DMA存储器读周期将数据从内存的源区域读出，存入到DMAC的内部数据暂存器中，再利用一个DMA存储器写周期将该数据写到内存的目的区域中去。

DMA控制器8237A的原理

1、DMA控制器8237A的编程结构

• 含有4个相互独立的通道，每个通道有独立的地址寄存器和字节数寄存器，而控制寄存器、状态寄存器为四个通道所共用。
• 每个DMA通道具有不同的优先权
• 每个DMA通道可以分别允许和禁止
  每个DMA通道有4种工作方式，分别为：单字节传送、数据块传送、请求传送、级连方式。
• 通道中地址寄存器的长度为16位，一次传送的最大长度可达64KB
• 多个8237A芯片可以级连，扩展通道数

2、8237A的内部组成和结构

（1）四个独立的DMA通道
每个通道都有一个16位的基地址寄存器，一个16位的基字节数计数器，一个16位的当前地址寄存器和一个16位的当前字节数计数器及一个8位的方式寄存器，方式寄存器接收并保存来自于CPU的方式控制字，使本通道能够工作于不同的方式下；
（2）定时及控制逻辑电路
对在DMA请求服务之前，CPU编程对给定的命令字和方式控制字进行译码，以确定DMA的工作方式，并控制产生所需要的定时信号；
（3）优先级编码逻辑
对通道进行优先级编码，确定在同时接收到不同通道的DMA请求时，能够确定相应的先后次序。通道的优先级可以通过编程确定为是固定的或者是旋转的；
（4）共用寄存器
除了每个通道中的寄存器之外，整个芯片还有一些共用的的寄存器：

• 1个16位的地址暂存寄存器
• 1个16位的字节数暂存寄存器
• 1个8位的状态寄存器
• 1个8位的命令寄存器
• 1个8位的暂存寄存器，
• 1个4位的屏蔽寄存器
• 1个4位的请求寄存器
  8237的内部寄存器
  
  （5）8237的三态缓冲器
  8237的数据引线，地址引线都有三态缓冲器，因而可以接也可以释放总线。

3、8237的外部结构

（1）请求与响应信号

• DREQ0～DREQ3：DMA通道请求。当外设需要请求DMA服务时，将DREQ信号置成有效电平，并要保持到产生响应信号。对应于四个独立的通道，DREQ的有效电平可以通过编程来加以确定，优先级可以固定，也可以旋转。
• HRQ：总线请求。8237A输出有效的HRQ高电平，向CPU申请使用系统总线。
• HLDA：总线响应。8237A接受来自CPU的响应信号HLDA，取得了总线的控制权。
• DACK0～DACK3：DMA通道响应。8237A使请求服务的通道产生相应的DMA响应信号。

（2）DMA传送控制信号

• A0～A7：地址线。输出低8位存储器地址。
• DB0～DB7：数据线。输出高8位存储器地址；存贮器与存贮器的传送期间，用于数据传送。
• ADSTB：地址选通。DMA传送开始时，输出高有效，把在DB0～DB7上输出的高8位地址锁存在外部锁存器中。
• AEN：地址允许。输出高有效，将锁存的高8位地址送入系统总线，与芯片此时输出的低8位地址组成16位存储器地址。
• MEMR：存储器读。有效将数据从存储器读出
• MEMW：存储器写。有效将数据写入存储器
• IOR：I/O读。有效将数据从外设读出
• IOW：I/O写。有效将数据写入外设
• READY：准备好。DMA传送的S3下降沿检测到为低时，插入等待状态Sw，直到READY为高才进入第4个时钟周期S4。
• EOP：过程结束。DMA传送过程结束，输出一个低有效脉冲。外部输入低脉冲信号，则终结DMA传送。

（3）处理器接口信号

• CS：片选。低有效时，微处理器与8237A通过数据线通信，主要完成对8237A的编程。
• IOR：I/O读。读取8237A内部寄存器低电平有效的双向三态信号引脚。在空闲周期，它是一条输入控制信号，CPU利用 这个信号读取8237内部状态寄存器的内容；而在DMA传送时，它是读端口控制信号输出引脚，与相配合，使数据由外设传送到内存。
• IOW：I/O写。写入8237A内部寄存器。低电平有效的双向三态信号引脚，其功能与相对应。
• DB0～DB7： 8条双向数据线。用于8237A与微处理器进行数据交换。在CPU控制系统总线时，可以通过DB0~ DB7对8237编程或读出8237的内部状态寄存器的内容；在DMA操作期间，由DB0~ DB7输出高8位地址信号A8~A15，并利用ADSTB信号锁存该地址信号。
  在进行内存不同区域之间的DMA传送时，除了送出A8~A15地址信号外，还分时输入从存储器源区域读出的数据，送入8237的暂存寄存器中，等到存储器写周期时，再将这些数据通过这8个引脚，由8237的暂存寄存器送到系统数据总线上，然后写入到规定的存储单元中去。
• A3～A0：4条双向三态的低位地址信号引脚。在空闲周期，接收来自于CPU的四位地址信号，用以寻址8237内部的不同的寄存器(组)；在DMA传送时，输出要访问的存储单元或者I/O端口地址的低4位。
• A7～A4 ：4条三态地址信号输出引脚。在DMA传送时，输出要访问的存储单元或者I/O端口地址的中4位。
• CLK：时钟信号输入引脚，对于标准的8237，其输入时钟频率为3MHz，对于8237-2，其输入时钟频率可达5MHz。
• RESET：复位信号，输入引脚，用来清除8237中的命令、状态请求和临时寄存器，且使字节指针触发器复位并置位屏蔽触发器的所有位（即使所有通道工作在屏蔽状态），在复位之后，8237工作于空闲周期SI。

4、8237A的两种工作状态

• 作为从模块工作时（空闲周期）：
  当CPU把数据送到8237A的寄存器或者从8237A的寄存器取出时，8237如同接口一样作为总线的从模块工作，受CPU控制的工作状态。
  这时，8237A接收16位地址，用较高的12位地址产生片选信号，用底4位地址来选择内部寄存器。
• 作为主模块工作时（有效周期）：
  当8237A作为主模块工作时，它会往总线上提供要访问的内存地址，地址的低8位放在A7~ A0，而地址的高8位放在D7~D0。
  作为主模块工作时，8237A还必须输出必要的读写信号，IOR、IOW、MEMR、MEMW。

8237A引脚的两种作用

5、8237的工作周期

空闲周期
当8237的任一通道都无DMA请求时，则其处于空闲周期或称为SI状态，空闲周期由一系列的时钟周期组成，在空闲周期中的每一个时钟周期，8237只做两项工作：

• 8237A采样CS片选信号，该信号有效，CPU就要对8237A进行读/写操作
• 8237A还采样通道的请求输入信号DREQ，该信号有效，就进入有效周期

有效周期

• 8237A采样到外设有DMA请求，就脱离空闲周期进入有效周期
• 8237A作为系统的主控芯片，控制DMA传送操作
• DMA传送借用系统总线完成，其控制信号以及工作时序类似CPU总线周期
  
  

6、8237A的工作方式

DMA传送方式：单字节传送方式、数据块传送方式、请求传送方式、级连方式
DMA传送类型：DMA读、DMA写、DMA检验
存储器到存储器的传送
（1）DMA传送
单字节方式

• 每次DMA传送时仅传送一个字节
• 传送一个字节之后，当前字节数寄存器减1，当前地址寄存器加1或减1，HRQ变为无效
• 每传送完这一个字节， 8237A释放系统总线， DMAC就将总线控制权交回CPU。
• 若传送后使字节数从0减到FFFFH，则终结DMA传送或重新初始化
• 特点：
  一次传送一个字节，效率略低
  DMA传送之间CPU有机会重新获取总线控制权

数据块方式

• 在这种传送方式下，DMAC一旦获得总线控制权，便开始连续传送数据。每传送一个字节，自动修改当前地址及当前字节数寄存器的内容，直到字节数寄存器从0减到FFFFH终止计数，或由外部输入EOP有效信号终结DMA传送，将总线控制权交给CPU。
• 一次所传送数据块的最大长度可达64KB，数据块传送结束后可自动初始化。
  DREQ只需维持有效到DACK有效
• 特点：
  一次请求传送一个数据块，效率高
  整个DMA传送期间CPU长时间无法控制总线（无法响应其他DMA请求、无法处理中断等）

请求方式

• DREQ信号有效就连续传送数据
• DREQ信号无效，DMA传送被暂时中止，8237A释放总线，CPU可继续操作
• DMA通道的地址和字节数的中间值仍被保持
• DREQ信号再次有效，DMA传送就继续进行
• 如果字节数寄存器从0减到FFFFH，或者由外部送来一个EOP有效的信号，将终止计数
• 特点：
  DMA操作可由外设利用DREQ信号控制传送的过程

级连方式

• 用于通过多个8237A级连以扩展通道
• 第二级的HRQ和HLDA信号连到第一级某个通道的DREQ和DACK上
• 第二级芯片的优先权等级与所连通道的优先权相对应
• 第一级只起优先权网络的作用，实际的操作由第二级芯片完成
• 还可由第二级扩展到第三级等
  
  （2）DMA传输类型
• DMA读——把数据由存储器传送到外设
  由MEMR有效从存储器读出数据，由IOW有效把这一数据写入外设
• DMA写——把外设输入的数据写入存储器
  由IOR有效从外设输入数据，由MEMW有效把这一数据写入存储器。
• DMA检验——空操作
  8237A不进行任何检验
  外设可以进行DMA校验
  存储器和I/O控制线保持无效，不进行传送

（3）存储器到存储器的传送

• 固定使用通道0和通道1
• 通道0的地址寄存器存源区地址
• 通道1的地址寄存器存目的区地址，通道1的字节数寄存器存传送的字节数
• 传送由设置通道0的软件请求启动
• 每传送一字节需用8个时钟周期
  前4个时钟周期用通道0地址寄存器的地址从源区读数据送入8237A的临时寄存器
  后4个时钟周期用通道1地址寄存器的地址把临时寄存器中的数据写入目的区

（4）DMA通道的优先权方式

• 固定优先权方式——优先权固定
  通道0优先权最高，通道1其次，通道2再次，通道3最低
• 循环优先权方式——优先权循环变化
  最近一次服务的通道在下次循环中变成最低优先权，其他通道依次轮流相应的优先权
• DMA传送不存在嵌套

（5）自动初始化方式

• 每当DMA过程结束信号EOP产生时（不论是内部终止计数还是外部输入该信号）
• 用基地址寄存器和基字节数寄存器的内容，使相应的现行寄存器恢复为初始值，包括恢复屏蔽位、允许DMA请求
• 这样就作好了下一次DMA传送的准备

8237A的寄存器

• 8237A共有10种内部寄存器，对它们的操作有时需要配合3个软件命令
• 8237A的“软件命令”
  不需要通过数据总线写入控制字
  直接由地址和控制信号译码实现

1、基地址寄存器

用以存放16位地址，只可写入而不能读出。
在编程时，它与当前地址寄存器被同时写入某一起始地址，可用作内存区域的首地址或末地址。
在8237进行DMA数据传送的工作过程中，其内容不发生变化，只是在自动预置时，其内容可被重新写到当前地址寄存器中去。

2、基字节数寄存器

• 用以存放相应通道需要传送数据的字节数，只可写入而不能读出。
• 在编程时它与当前字节数寄存器被同时写入要传送数据的字节数。
• 在8237进行DMA数据传送的工作过程中，其内容保持不变，只是在自动预置时，其内容可以被重新写到当前字节数寄存器中去。

3、当前地址寄存器

• 保持DMA传送的当前地址值
• 每次传送后该寄存器的值自动加1或减1
• CPU可以对其进行读写操作。
• 在选择自动预置时，每当字节计数值减为0或外部有效后，就会自动将基地址寄存器的内容写入当前地址寄存器中，恢复其初始值。

4、当前字节数寄存器

• 保持DMA传送的剩余字节数
• 每次传送后，该寄存器的值减1
• 这个寄存器的值可由CPU写入和读出
• 该寄存器的值减至0，再减1（从0减到FFFFH）时，终止计数

5、地址暂存寄存器和字节数暂存寄存器

这两个16位的寄存器和CPU不直接发生关系，我们也不必要对其进行读/写操作，因而对如何使用8237没有影响。

6、模式寄存器

每个通道有一个8位的模式寄存器，但是它们占用同一个端口地址，用来存放方式字，依靠方式控制字本身的特征位来区分写入不同的通道，用来规定通道的工作方式，各位的作用如下：
方式字格式：

自动预置就是当某一通道按要求将数据传送完后，又能自动预置初始地址和传送的字节数，而后重复进行前面已进行过的过程。
校验传送就是实际并不进行传送，只产生地址并响应EOP信号，不产生读写控制信号，用以校验8237的功能是否正常。

7、控制寄存器

• 存放8237A的命令字
• 设置8237A芯片的操作方式
• 影响每个DMA通道
• 复位时使命令寄存器清零
• 设置D2＝1才使8237A可以作为DMA控制器

命令字格式

命令字说明

• D0位用以规定是否允许采用存储器到存储器的传送方式。若允许这样做，则利用通道0和通道1来实现。
• D1位用以规定通道0的地址是否保持不变。如前所述，在存储器到存储器传送中，源地址由通道0提供，读出数据到暂存寄存器，而后，由通道l送出目的地址，将数据写入目的区域；若命令字中D1＝0，则在整个数据块传送中(块长由通道1决定)保持内存源区域地址不变，因此，就会把同一个数据写入到整个目的存储器区域中。
• D2位是允许或禁止8237芯片工作的控制位。
• D3位用于选择总线周期中写信号的定时。例如，PC机中动态存储器写是由写信号的上升沿启动的。若在DMA周期中写信号来得太早，可能造成错误，所以PC机选择D3＝0。
• D5位用于选择是否扩展写信号。在D3=0（正常时序）时，如果外设速度较慢，有些外设是用8237A送出的和信号的下降沿来产生的READY信号的。为提高传送速度，能够使READY信号早些到来，须将和信号加宽，以使它们提前到来。因此，可以通过令D5=1使和信号扩展2个时钟周期提前到来。

8、请求寄存器

• 用于在软件控制下产生一个DMA请求
• 除硬件DMA请求外，当工作在数据块传送方式时也可以通过软件发出DMA请求
• 若是存贮器到存贮器传送，则必须由软件请求启动通道0
  

9、屏蔽寄存器

控制外设硬件DMA请求是否被响应（为0允许），各个通道互相独立。3种方法：

• 单通道屏蔽字只对一个DMA通道屏蔽位进行设置
• 主屏蔽字对4个DMA通道屏蔽位同时进行设置
• 清屏蔽寄存器命令使4个屏蔽位都清零（允许）
  复位使4个通道全置于屏蔽状态；
  当一个通道的DMA过程结束，如果不是工作在自动初始化方式，则这一通道的屏蔽位置位，必须再次编程为允许，才能进行下次DMA传送。
  单通道屏蔽字格式：
  
  主屏蔽字格式
  

10、状态寄存器

可由CPU读取；
低4位反映读命令这个瞬间每个通道是否产生TC（为1，表示该通道传送结束）；
高4位反映每个通道的DMA请求情况（为1，表示该通道有请求）；
状态位在复位或被读出后，均被清零。
8237的状态寄存器：

11、临时寄存器**

在存储器到存储器的传送方式下，临时寄存器保存从源存储单元读出的数据，该数据又被写入到目的存储单元；
传送完成，临时寄存器只会保留最后一个字节，可由CPU读出；
复位使临时寄存器内容为零。

以上内容参考自唐老师的PPT 。