第7章DMA控制器

DREQ3～DREQ0——DMA请求输入信号，通道3至通道0分
别对应DREQ3至DREQ0。当外设请求DMA服务时，由I/O接口 向8237A发出DREQ请求信号，该信号一直保持有效，直到收到 DMA响应信号DACK后，信号才撤销。其有效电平由编程设定。 在优先级固定的方式下，DREQ0优先级最高，DREQ3优先级最 低。 HRQ——总线请求输出信号。当8237A的任一个未屏蔽通道接 收到DREQ请求时，8237A就向CPU输出HRQ信号，请求CPU 出让总线的控制权。 HLDA——总线响应信号，是CPU对HRQ信号的响应。CPU收 到HRQ信号后，将在现行总线周期结束后让出总线的控制权， 使HLDA信号有效，通知8237A接收总线的控制权，用以完成 DMA传送。
7.3.1 8237A的内部构成框图
1.3个基本控制逻辑单元
（1）定时和控制逻辑单元。
根据初始化编程时所设置的工作方式寄存器的内容和命令，在输 入时钟信号的定时控制下，产生8237A内部的定时信号和外部 的控制信号。
（2）命令控制单元。
在CPU控制总线时，即DMA处于空闲周期时（被动态），将 CPU在编程初始化时送来的命令字进行译码；而在8237A进入 DMA服务时，对设定DMA操作类型的工作方式字进行译码。
2．暂停CPU时钟脉冲方式 这种方式也就是强迫CPU立即停止工作的方式。 在进入DMA操作时，把CPU的时钟“暂停”， 就能达到停止CPU操作的目的。 这种方式的原理如图7-2所示，CPU的时钟脉 冲由系统主时钟脉冲通过与门来提供，与门由 PAS信号控制。 当PAS=1时，向CPU提供时钟脉冲，CPU操作 得以进行；当PAS=0时，暂停时钟，CPU便处 于“休眠”状态，此时可进行DMA操作。
这类DMA又可分为两种情况：周期挪用和数据
块传送。 如果 DMAC 控制总线的时间为一个总线周期， 则称为周期挪用。对于这种操作方式，每次 DMA 操作仅传送一个字节（或字）数据。然后 DMAC释放对总线的控制； 若 DMAC 控制总线的时间超过一个总线周期， 用来完成一组数据（即数据块）的传送，在该组 数据传送期间，DMAC一直控制着总线，这种操 作方式称为数据块传送。
（3）输出缓冲器。4位、输出、三态缓冲器。 在CPU控制总线时，它为高阻状态；而在DMA 控制总线时，它导通，由8237A提供的16位存 储器地址的第8位到第5位地址A7～A4通过它送 出。
3．内部寄存器
8237A的内部寄存器如表7-1所列。它与用户编程直接发生关系。 表7-1 8237A的内部寄存器
7.1 DMA基本概念
DMA 的意思是“直接存储器存取”，意指不通过 CPU 、 直接对存储器进行访问，它由专门的硬件装置 DMA 控 制器（DMAC）来完成。除了事先要用指令设置DMAC 外，传送是应外设请求、在硬件控制下完成的。所以， 它具有极高的传送速率。
DMAC 对存储器的访问与 CPU 类似，一般利用系统总
（7）DMAC向接口发出写控制信号，在该信号及 DACK信号的共同作用下，将数据总线上的内容储存到 接口中的数据寄存器，并通过接口将数据传送给外设， 至此完成了数据传送。 （8）DMAC撤销对CPU的请求信号。 （9）CPU撤销保持响应信号并恢复对总线的控制。 如果数据未传送完，则又从第二步开始重复所述过程。
4．周期扩展方式 周期扩展方式是采用专门的时钟发生电路加宽CPU的 时钟周期，利用CPU每个时钟周期的加宽时间进行 DMA操作，这种占用总线的方式为周期扩展。 这种方式由于延长了CPU的时钟周期必将导致CPU运 行速度的降低。PC/XT微型机就是采用了这种方式，巧 妙地在CPU总线中插入若干等待周期Tw，进行DMA操 作。
（3）优先权控制逻辑。
用来裁决各通道的优先权次序，解决多个通道同时请求DMA服 务时可能出现的优先权竞争问题。
2.3个缓冲器
（1）I/O缓冲器1。 8位、双向、三态的缓冲器 当CPU控制总线时，从CPU送给8237A的编程控制字、 CPU读取8237A的状态字、当前地址和字节计数器的 内容都经过这个缓冲器。 当8237A控制总线时，在DMA周期一开始，8237A 请求DMA服务优先权最高通道的暂时地址寄存器的高8 位地址，由这个缓冲器输出到地址锁存器74LS373或 Intel 8282锁存。然后，若编程时设定DMA的操作类 型是DMA写、读或校验时，就使这个缓冲器进入高阻 状态，即数据传送不经过此缓冲器； 若操作类型是存储器之间的传送（M→M）时，首先 将源存储单元的内容经数据总线由此缓冲器送到 8237A的暂存器中。在下一个周期，暂存器的内容由 此缓冲器送上数据总线，然后写入目的存储单元。
线来进行。 以读存储器为例，其过程是： DMAC 一面向存储器送 存储单元地址和读控制信号（ MEMR ） ，同时又向外设 端口送写控制信号（ ），数据在硬件信号的控制下 IOW 通过总线由源直接送达目的地。为了支持数据块的传送， DMAC还具有修改地址指针、统计传送次数、判断传送 是否结束等多项自动功能。 所以，使用DMA方法，可支持外设→存储器、存储器 →外设的高速直接传送；变通后，也可支持存储器→存 储器、外设→外设的高速直接传送。
图7-1 DMA操作过程示意图
（1）外设已作好接收数据准备，向DMAC发出 请求信号DRQ。 （2）DMAC向CPU发出DMA操作请求HRQ， 该请求信号送到CPU的HOLD信号引脚。 （3）CPU在完成当前的总线周期操作之后（若 总线处于空闲状态，则立即做出响应），使数据 总线、地址总线及部分控制信号处于三态，并向 DMAC发出响应信号HLDA，指示DMAC可以使 用总线。
7.2 DMA占用总线方式
1．CPU暂时放弃总线控制权方式 此类DMA操作，CPU必须暂停任何总线操作， 并让出对总线的控制权、直至DMA传送结束或 完成一个总线操作周期之后，CPU才能继续控制 总线。 实现这种方式的方法是DMAC向CPU发出总线 请求信号，CPU在完成当前的总线周期操作之后， 释放对总线的控制（有关的引脚信号处于高阻状 态）并发出总线响应信号。
A7～A4——4位双向三态地址线。只用于DMA传送时，输出要
访问的存储单元地址低8位中的高4位。 A3～A0——4位双向三态地址线。CPU对8237A进行编程时， 它们是输入信号，用于寻址8237A的内部各寄存器。在DMA传 送期间，这4条线输出要访问的存储单元地址低4位。 IOR——I/O读信号，是双向、低电平有效的三态信号。在CPU 控制总线期间，它为输入信号，低电平有效时，CPU读取 8237A内部寄存器的值；在DMA传送期间，它为输出信号，与 相配合，控制数据由外设传送到存储器。
（4）DMAC将地址（A19～A0）放入地址总线， 该地址用来寻址内存储单元。 （5）DMAC向I/O接口发出响应信号DACK， 该信号可作为接口接受数据的控制条件，有效时， 表示允许接口接受数据； （6）DMAC向存储器发出读控制信号，在该信 号的控制下，由A19～A0指定的单元的内容送 入数据总线。
可读可写 不能访问
只 只 只 只 只 只 写 写 写 写 读 读
7.3.2 8237A的引脚 8237A的引脚如图7-4所示
CLK——时钟脉冲输入信号，该信号用以控制8237A内部操作
及数据传输率。 CS ——片选输入信号，低电平有效。CPU对8237A编程时把 8237A视为输入/输出设备，此时该信号由地址总线高位经译码 后产生。 RESET——复位输入信号，高电平有效。复位后8237A处于空 闲状态，清除内部各寄存器，并置位屏蔽触发器。 READY——准备好输入信号，高电平时表示存储器或外设已经 准备好。该信号用于DMA操作时与慢速存储器或外部设备同步。
下面以图7-1为例说明这种DMA操作方式的工作 过程。假定 8086CPU工作于最小模式，且是将 存储器中的数据传送给外部设备。在 DMA 操作 之前， DMAC 作为系统的一个接口部件，接受 CPU送来的操作命令，也即对DMAC的初始化， 以规定传输类型（存储器和外设之间）、操作方 式（单字节传送）、传送方向、内存的首地址、 传送的字节数等。在完成初化编程之后，DMAC 就准备好进行 DMA 操作，传送一个字节数据的 过程如下（在图7-1中以圆圈内的序号表示）。
DACK3～DACK0——DMA响应输出信号，是8237A对DREQ
信号的响应，每个通道各有一个。当8237A接收到DMA响应信 号HLDA后，开始DMA传送，相应的通道DACK信号输出有效， 其有效电平由编程确定。 DB7～DB0——8位双向三态数据总线，与系统的数据总线相 连。CPU可以用I/O读命令，从DB7～DB0读取8237A的状态寄 存器和现行地址寄存器、字节数计数器的内容，以了解8237A 的工作状态；也可以用I/O写命令通过DB7～DB0对各个寄存器 进行编程。在DMA传送期间，DB7～DB0输出当前地址寄存器 中的高8位，由ADSTB信号锁存到外部锁存器中，与地址线 A7～A0一起组成16位地址。
在上述4种方式中，CPU暂时放弃总线控制权而DMA
占用总线的方式是最简单的一种方式。
Байду номын сангаас
7.3 DMA控制器8237A
8237A是Intel系列高性能可编程DMA控制器，具 有如下功能： （1）每片8237A内部有4个独立的DMA通道，每 个通道可分别进行数据传送，一次传送最大达 64MB，能够实现存储器与外部设备间或存储器两 个区域间的数据传送。 （2）每个通道的DMA请求可以分别允许和禁止， 具有不同的优先级，并且每个通道的优先级可以是 固定的，也可以是循环的。 （3）8237A具有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方式。
fSystem & PAS fCPU
fSystem
PAS
fCPU
图7-2 暂停CPU时钟脉冲方式示意图
3．窃取CPU空闲时间方式 上述两种DMA总线占用方式共同的特点是，进行 DMA操作时均使CPU的正常工作暂时停止。其优点是 简单，可以不受限制地传送任意长度的数据块，但会浪 费CPU资源。 为了充分利用CPU 资源，可以采用只有当CPU不使用 总线时才进行DMA操作的方法，这样CPU不会因DMA 传送而浪费时间。但这种DMA操作只能安排在CPU执 行内部操作当中 例如取完指令操作码后，CPU要进行指令译码或CPU 内部要进行算术/逻辑运算时，CPU均不使用总线，这 时DMAC可以接管总线。MC6800 CPU有专门的信号 用来指示总线是否正在被使用，这就给安排DMA操作 带来了很大便利。