DMA控制接口

2. 8237A概述 8237A是Intel公司生产的高性能DMA控制器，适合于Intel公司的各种微处理器配合。可 以用软件对它编程，使它能选多种方式工作，从而大大改善了微机的性能。8237A有3种 基本传送方式，且在一次DMA传送结束后，可以自动预置成原设置的状态，使之能重复 地进行同样操作。 (1) 具有4个独立的DMA通道，每个通道都可独立地进行初始化。 (2) 每个通道的DMA请求都可以被允许或禁止。 (3) 每个通道的DMA有不同的优先级，既可以是固定优先级，也可以是循环优先级。 (4) 每个通道进行一次传送的最大字节数为64K。 (5) 提供4种传送方式：单字节传送方式、数据块传送方式、请求传送方式和级联传送 方式。 (6) 设置有控制结束用的外接过程结束控制信号输入端。 (7) 可以用软件设置DMA请求。 (8) DREQ和DACK信号的有效极性可以分别控制。 (9) 可以用级联的方法扩展DMA通道数。
1) 外设提出DMA传送请求 由外设或外设控制电路向DMA控制器送出一个电平信号(DREQ)，表示请求一次DMA传 送。 2) DMA控制器响应请求 DMA控制器接到请求后，经控制电路向CPU提出。保持(HOLD)请求，并等待CPU的回 答。如果控制器接有多个DMA设备，它要对各设备和请求进行排队，选择优先级别最高 的请求输出，作为向CPU发出的保持请求。 3) CPU响应 CPU在每个时钟上升沿都检测有无HOLD请求，若有此请求，且自身正处在总线空闲周 期中，CPU就立即响应保持请求。如果CPU正在执行某个总线周期，那么要到这个总线 周期结束后再响应此保持请求。CPU对保持请求在两个动作：一是从HLDA送出一个响应 信号，告诉DMA控制器可以开始占用总线；第二个是将CPU与总线相连接的引脚置为高 阻态，即释放了总线。 4) DMA控制器的动作 DMA控制器在接收到HLDA回答后，即开始对直接存储器存取的过程控制。它向外设送 出DACK作为对外设DMA请求的响应，同时也作为外设的数据选通。它还向系统总线送出 控制信号和地址信号，以选择合适的存储单元。在一次DMA结束后，DMA控制器撤除 HOLD信号，CPU也消除HLDA，并重新开始对总线的使用。DMA传送的工作过程总结如 下：
(1) I/O设备向DMAC发出DMA请求。 (2) DMAC向CPU发出总线请求。 (3) CPU在执行完当前指令的当前的总线周期后，向DMAC发出总线响应信号。 (4) CPU脱离对系统总线的控制，由DMAC接管对系统总线的控制。 (5) DMAC向I/O设备发出的DMA应答信号。 (6) DMAC进行一个字节的传送。 (7) 完成设定的字节数据传送，CPU恢复对系统总线的控制。 5) DMA操作类型 (1) 数据传送：数据传送是把源地址的数据传送到目的地址中去。 存储单元传送：存储器→存储器。 DMA读传送：存储器→I/O设备。 DMA写传送：I/O设备→存储器。 (2) 数据检验：当数据传送完毕之后，可以进行校验操作。校验操作并不进行数据传 送，只进行数据校验。但操作过程仍然要通过DMAC向CPU提出申请，进入DMA周期。 (3) 数据检索：数据检索操作并不进行数据传送，只是对在指定的内存区内查找某个 关键字节或某几个关键数据位是否存在，如果查找到了，就停止检索操作。
9.1.2 DMA控制器8237A的引脚功能 8237A 的引脚如图9.3所示，这些信号分成以下几组。 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。 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。 DACK：DMA通道相应信号。当8237A获得总线控制权后，向请求服务的外设发出 DACK信号，从而可以开始DMA的传送过程。
图9.3 8237A引脚图
2) DMA传送时的控制信号 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；存储器与存储器的传送期间，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(相当于CPU的ALE信号)。 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8237A作为接口芯片，受CPU控制的8237A的所有通道都无DMA请求， 8237A由微处理器作为一个接口芯片来控制。CPU可对8237A编程，或从8237A读取状态。 8237A不断采样片选信号CS，该信号有效时，表示CPU要对8237A进行读/写操作。 8237A不断采样通道的请求输入信号DREQ，该信号有效时，8237A将进入过渡周期。 2) 过渡周期 过渡周期是某个通道已经发出了DMA请求，但CPU还未响应的过渡时期。 3) 有效周期 CPU出让总线控制权后，8237A作为DMA控制器控制系统总线，完成DMA传送(DMA读 或DMA写)。 8237A收到CPU的响应信号，从过渡周期进入有效周期。 8237A作为系统总线的控制设备，控制DMA传送操作。 DMA传送需借用系统总线完成，其控制信号以及工作时序类似CPU总线周期。 DMA传送时序如下：
DMA控制接口
教学提示：DMA是直接存储器存取的英文缩写。它为高速I/O设备与读写存储器之间进行 批量数据交换提供直接的传输通道。在传输过程中，CPU不再干预，而是由一个硬件逻辑 DMA控制器负责管理。但并不是CPU根本与DMA传送方式无关，恰恰相反，在DMA方式 的3个阶段(请求、响应及结束)都需要CPU参与，只有传输期间CPU处于等待状态。 教学要求：通过本章的学习，需要进一步巩固DMA数据传送的概念，掌握8237A的编程使 用方法，了解8237A在PC机的使用情况。
3) 与处理器的接口信号 DB0～DB7：数据线。用于8237A与微处理器进行数据交换。 A0～A3：地址线。用以选择芯片内部寄存器。
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，输入。CPU读8237A内部寄存器。
IOW
：I/O写，输入。CPU写8237A内部寄存器。 CLK：时钟。控制芯片内部操作和数据传输。 RESET：复位。使8237A处于初始状态。 、 8237A引脚的两种作用见表9-1。
9.1 DMA控制器8237A
在第6章中，已经介绍过DMA数据传送方式，在本节中，将进一步深化DMA概念，并介绍 用于DMA控制器的芯片——8237A。 9.1.1 DMA概述 在外设与计算机之间传输信息(数据)，可以用程序控制和中断控制的方法，其基本过程 都是由CPU执行指令来完成的。DMA传送是一种让数据在外设和内存之间直接传送的方 式，它与前两种方法一起，构成了计算机的3种传送方式。在DMA传送期间，CPU停止工 作，把总线控制权让出来，在DMA控制器的管理下，提供给外设和内存使用。 概念：DMA传送方式是不通过CPU、存储器和I/O端口之间直接进行数据传送的数据传 送方式。 提出DMA传送的原因在于要解决传送的速度问题。前两种方式每传送一个字节都需要 耗用比较长的时间。在外设不断改进的情况下，一些外设产生或获取数据的速度大大加快， 如果计算机的传送速度太慢就会使传送出错，或者传送效率降低。例如，常用的几种软盘 机，它们的传送速度都在250kb/s以上，而硬磁盘机记录密度比软盘高将近一倍，转动速 度提高了10倍，它的数据速度应是软盘的十几倍。如果还用这种办法传送，就不能满足外 设的需求了。这样就提出了DMA传送的问题，解决问题的办法是省去传输中间环节，直 接在外设和内存间存取。 1. DMA传送的基本过程 DMA控制器可以像CPU那样得到总线控制权，用DMA方式实现外部设备和存储器之间 的数据高速传输。为了实现DMA传输，DMA控制器必须将内存地址送到地址总线上，并 且能够发送和接收联络信号。
图9.2 8237A的操作流程 S0状态——输出16位存储器地址，AEN输出高电平，表示DMA送出的。 S1状态——输出16位存储器地址，AEN输出高电平，表示DMA送出的地址有效(CPU 的地址无效)。 S2状态——输出DMA响应信号和控制信号。 DMA读：－MEMR和－IOW有效。 DMA写：－IOR和－MEMW有效。 S3和Sw状态——检测数据传送是否完成(READY )，决定是否插入等待状态Sw。 S4状态——完成数据传送。
3. 8237A的操作过程 在8237A获得总线控制权之前，8237A受CPU控制。此时称为空闲周期(SI周期)，CPU 可对8237A进行初始化编程，也可从8237A中读出状态。当8237A上电或复位时，8237A 自动处于被动态。当有DMA请求信号后，进入过渡周期(S0周期)，CPU出让总线控制权， 8237A取代CPU而成为系统的主控者，接管和控制系统总线(数据总线、地址总线和控制 总线)。从而进入有效周期(S1~S4周期)通过总线向存储器或I/O设备发出地址、读/写信号， 以控制在两个实体之间的传送。具体过程如下(如图9.2所示)。
、
表9-1 8237A的主要引脚
、
与CPU连接 (空闲周期)的引脚
、
与外设连接 (有效周期)的引脚
AEN、ADSTB、READY、
CLK、RESET A0～A3、
CS
IOR
、DB0～DB7
IOW
A0～A7、DB0～ DB7
HRQ、HLDA IOW IOR
DREQ0～DREQ3、DACK0～DACK3
MEMR
MEMW
IOR
：存储器读，输出。有效将数据从存储器读出。
：存储器写，输出。有效将数据写入存储器。
：I/O读，输出。有效将数据从外设读出。
IOW
EOP
：I/O写，输出。有效将数据写入外设。 ：过程结束，双向。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。
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。