微型計算機接口技術(shù)：第十二章DMA控制器 8237A

1、 北京工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院1第十二章 DMA控制器 8237A 北京工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院2本章主要內(nèi)容8237A的組成和工作原理8237A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)8237A的引腳功能8237A的內(nèi)部寄存器8237A的時序 外設(shè)和內(nèi)存間的DMA數(shù)據(jù)傳送時序空閑周期、有效周期和擴展寫周期8237A的編程和應(yīng)用舉例PC/XT機中的DMA控制邏輯8237A的一般編程方法PC/XT機中的DMA控制器的使用 北京工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院3DMA的基本概念 DMA（Driect Memory Access）技術(shù)是一種代替微處理器完成存儲器與外部設(shè)備或存儲器之間大量數(shù)據(jù)傳送的方法，也稱直接存儲器存取方法。 DMA的主要優(yōu)點是當(dāng)需要把

2、一個外設(shè)的大量數(shù)據(jù)送到指定內(nèi)存時，它可以自動完成傳送任務(wù)，也就是說外設(shè)發(fā)出一個DMA請求，則DMA電路暫停CPU的操作，并控制外設(shè)與內(nèi)存之間進行一次傳輸，然后再讓CPU繼續(xù)執(zhí)行程序，這樣就使CPU節(jié)省了大量對外設(shè)的查詢時間，從而提高了系統(tǒng)的整體性能。 利用DMA方式傳送數(shù)據(jù)，傳送過程完全由硬件控制，這種硬件電路稱為DMA控制器。 北京工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院4DMA的基本概念 DMA控制器的基本功能： 向CPU提出DMA請求，加到CPU的HOLD引腳上。CPU在允許狀態(tài)下響應(yīng)DMA請求，讓出總線，DMA控制器獲得對總線的控制權(quán)。在DMA期間，DMA控制器提供讀/寫存儲器或I/O設(shè)備的各種控制信號。

3、確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠鹗嫉刂泛蛿?shù)據(jù)的長度，每傳送一字節(jié)，自動修改地址，是地址增1或減1，數(shù)據(jù)長度減1數(shù)據(jù)傳送完畢，能發(fā)出結(jié)束DMA傳送的信號，將總線控制權(quán)交還給CPU。 北京工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院5 實現(xiàn)DMA操作主要靠DMA控制器，其結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜。在DMA操作期間，CPU停止了工作，而由DMAC代替CPU進行工作，因此它必須具備CPU的尋址及數(shù)據(jù)傳送能力，這主要包括如下幾點： (1) DMA控制器必須提供地址碼以指明I/O設(shè)備變換數(shù)據(jù)的存儲器起始地址； (2) DMA控制器必須提供讀/寫脈沖，以規(guī)定數(shù)據(jù)在存儲器與I/O設(shè)備之間的傳輸方向； (3) DMA控制器必須修改內(nèi)存地址指針并計算傳送的字節(jié)數(shù)，以

4、判斷什么時候傳送結(jié)束。DMA的基本概念 北京工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院612.1 8237A的組成和工作原理 8237A的特點 8237A內(nèi)部有4個獨立的通道每個通道具有64K地址和字節(jié)計數(shù)能力具有4種傳送方式：但字節(jié)傳送、數(shù)據(jù)塊傳送、請求傳送和級聯(lián)傳送方式（可擴大通道數(shù)）對每個通道的DMA請求可以允許和禁止。4個通道有不同的優(yōu)先級，可以固定，可以循環(huán)。DMA完成后會產(chǎn)生過程結(jié)束信號EOP，同時結(jié)束DMA傳送，還可以從外界輸入EOP信號，中止DMA傳送。 北京工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院712.1 8237A的組成和工作原理 8237A DMA控制器的兩種工作狀態(tài)：主態(tài)和從態(tài) DMA控制器未取得總線控制權(quán)，CP

5、U對DMA控制器進行編程，以確定通道的選擇、數(shù)據(jù)傳送的方式和類型、內(nèi)存單元起始地址，地址遞增或遞減、傳送的總字節(jié)數(shù)的設(shè)置及讀取DMA控制器的狀態(tài)。DMA控制器和其他I/O芯片一樣稱為從態(tài)方式。DMA控制器取得總線控制權(quán)后，系統(tǒng)完全在他的控制下，使I/O設(shè)備和存儲器之間或者存儲器和存儲器之間進行直接的數(shù)據(jù)傳送。稱為主態(tài)方式。 北京工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院8一、8237A的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 8237A 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖12.1所示，主要有5部分組成： 時序與控制邏輯：8237A處于從態(tài)時，該部分電路接收系統(tǒng)送來的時鐘、復(fù)位、片選和讀/寫控制等信號，A0A3有16個I/O地址。主態(tài)時則向系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的控制信號。優(yōu)先級

6、編碼電路：根據(jù)CPU對8237A初始化時的命令，對同時提出DMA請求的多個通道進行排隊判優(yōu)，以決定哪一個通道的優(yōu)先級最高。優(yōu)先級管理有兩種方式：固定優(yōu)先級和循環(huán)優(yōu)先級一旦某個優(yōu)先級高的設(shè)備在服務(wù)時，其他通道的請求都被禁止，直到服務(wù)結(jié)束時為止 北京工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院9一、8237A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和地址緩沖器組8237A的A7A4，A3A0為地址線；DB0DB7在從態(tài)時傳輸數(shù)據(jù)信息，主態(tài)時傳送地址/數(shù)據(jù)信息，這些數(shù)據(jù)、地址線都與三態(tài)緩沖器相連，可接管和釋放總線。命令控制邏輯在從態(tài)時接收CPU送來的寄存器選擇信號，選擇8237A內(nèi)部相應(yīng)的寄存器；主態(tài)時，對方式字的最低量為進行姨媽，以確定DMA的操作

7、類型。A3A0與IOR和IOW配合可組成各種操作命令。 北京工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院10一、8237A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部寄存器組每個通道都有一個16位的基地址寄存器、基字計數(shù)器、當(dāng)前地址寄存器、當(dāng)前字計數(shù)器；4個通道，每個通道由一個 6位工作方式；還有一個命令寄存器、屏蔽寄存器、請求寄存器、狀態(tài)寄存器和暫存寄存器上述寄存器可進行編程設(shè)置字數(shù)暫存器和地址暫存器不可編程 北京工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院11 北京工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院12二、8237A的引腳功能 40引腳雙列直插，其引腳如圖12-2其引腳功能為 北京工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院13CLK：時鐘信號，輸入，用來控制8237A內(nèi)部操作和數(shù)據(jù)傳送速率，3MHz，8237

8、A-5的時鐘頻率可為5MHzCS：片選信號，輸入，低電平有效。READY：準(zhǔn)備好，輸入，高電平有效，當(dāng)參與DMA傳送的設(shè)備中有慢速I/O設(shè)備或存儲器時，使用READY信號可在DMA周期中插入等待周期Tw。A3A0：DMA為從態(tài)方式，輸入。對8237內(nèi)部寄存器尋址；DMA為主態(tài)方式：輸出。地址總線的低4位地址A3A0。A7A4：DMA為主態(tài)方式，輸出，地址總線A7A4。DB7DB0：輸入/輸出。DMA為從態(tài)方式：數(shù)據(jù)總線；DMA為主態(tài)方式，高8位的地址信號輸出DB7DB0 A15 A8，由ADSTB信號鎖存到地址鎖存器中，和A7A3構(gòu)成16位地址。存儲器到存儲器傳送方式時，由此引腳送入暫存寄存器

9、中暫存再寫道目的存儲單元中。二、8237A的引腳功能 北京工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院14AEN：地址允許信號，輸出，高電平有效。輸出16位地址，同時封鎖CPU相連的地址鎖存器。ADSTB：地址選通信號，輸出，高電平有效。使高8位地址DB7DB0 送入外部鎖存器中。IOR：I/O讀信號，雙向，低電平有效。DMA為從態(tài)方式：輸入。CPU讀DMA內(nèi)部寄存器；DMA為主態(tài)方式：輸出。與MEMW向配合，控制數(shù)據(jù)由外設(shè)處送到存儲器IOW：I/O寫信號，雙向，低電平有效。DMA為從態(tài)方式：輸入。CPU向DMA內(nèi)部寄存器中寫入信息；DMA為主態(tài)方式：輸出。與MEMR向配合，控制數(shù)據(jù)從存儲器到外設(shè)MEMR：存儲器讀，輸

10、出，低電平有效。 DMA為主態(tài)方式，即可與IOW配合把 數(shù)據(jù)從存儲器讀出送外設(shè)，也可控制內(nèi)存間數(shù)據(jù)傳送，使數(shù)據(jù)從源地址中讀出。從態(tài)無效MEMW：存儲器寫，輸出，低電平有效。 DMA為主態(tài)方式，即可與IOR配合把 數(shù)據(jù)從外設(shè)寫入存儲器，也可控制內(nèi)存間數(shù)據(jù)傳送，控制把數(shù)據(jù)寫入目的地址。二、8237A的引腳功能 北京工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院15DREQ ：通道30的DMA請求信號，輸入。當(dāng)外設(shè)申請DMA服務(wù)時，就向此引腳送出有效的電平信號，有效電平由編程確定，固定優(yōu)先級時DREQ0優(yōu)先級最高， DREQ3優(yōu)先級最低。優(yōu)先級可通過編程改變 DACK：通道30的DMA響應(yīng)信號，輸出。有效電平由編程確定，當(dāng)82

11、37A收到CPU的DMA相應(yīng)信號HLDA，開始DMA傳送后，相應(yīng)通道的DACK有效，通知外部電路已進入DMA周期。HRQ：保持請求信號，輸出，高電平有效。接到CPU的HOLD端，向CPU申請總線控制權(quán)的DMA請求信號HLDA：保持相應(yīng)信號，輸入，高電平有效。接到HLDA信號后，開始進行DMA傳送。EOP：傳輸過程結(jié)束信號，雙向，低電平有效。當(dāng)DMA控制器的任意通道中的字計數(shù)器減為0，再減為FFFFH，中止計數(shù)時，在EOP引腳輸出低電平；8237A也允許從外部輸入一個低電平到EOP引腳，強制DMA計數(shù)結(jié)束。二、8237A的引腳功能 北京工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院168237A的內(nèi)部可編程寄存器有10種見

12、表12-1，其內(nèi)容可有CPU讀出或按要求寫入三、8237A的內(nèi)部寄存器名稱位數(shù)數(shù) 量當(dāng)前地址寄存器當(dāng)前字計數(shù)寄存器基地址寄存器基字計數(shù)寄存器工作方式寄存器命令寄存器狀態(tài)寄存器請求寄存器屏蔽寄存器暫存寄存器161616166884484 （每通道一個）4 （每通道一個）4 （每通道一個）4 （每通道一個）4 （每通道一個）1 （4個通道公用1個）1 （4個通道公用1個）1 （每通道一個） 1 （每通道一個）1 （每通道一個） 北京工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院17 北京工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院181、當(dāng)前地址寄存器：用于存放DMA傳送的存儲器地址值，CPU可寫入初值，可讀出此寄存器的值，讀/寫操作分兩次進行，若編

13、程為自動預(yù)置操作，EOP后會自動將基地址的值重新裝入。2、當(dāng)前字計數(shù)寄存器：初值比實際傳送的字節(jié)數(shù)少1，減為FFFFH，將產(chǎn)生中止計數(shù)信號。若編程為自動預(yù)置操作， EOP后會自動將基字計數(shù)寄存器的值重新裝入。3、基地址寄存器：用于存放對應(yīng)通道當(dāng)前地址寄存器的初值，該值是在CPU對DMA控制器進行編程時與當(dāng)前地址寄存器的值一起被寫入，兩個寄存器有相同的端口，寫入時內(nèi)容相同。主要目的在于，當(dāng)執(zhí)行自動預(yù)置操作時，使當(dāng)前地址寄存器恢復(fù)到初值4、基字計數(shù)寄存器：用于當(dāng)前字計數(shù)寄存器的初值，該值是在CPU對DMA控制器進行編程時與當(dāng)前字計數(shù)寄存器的值一起被寫入，兩個寄存器有相同的端口，寫入時內(nèi)容相同。主要

14、目的在于，當(dāng)執(zhí)行自動預(yù)置操作時，使當(dāng)前字計數(shù)寄存器恢復(fù)到初值。三、8237A的內(nèi)部寄存器 北京工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院195、命令寄存器：8位寄存器，由CPU對它進行編程，設(shè)置8237A的操作方式，復(fù)位時將其清除。格式見圖12-3或見后面的圖6、工作方式寄存器：每個通道都有一個6位的寄存器，用于選擇DMA的傳送方式和類型，見圖12-4 4個通道的方式寄存器使用相同的I/O端口地址，由D1D0選擇讀傳送：將數(shù)據(jù)從存儲器傳送到I/O設(shè)備，8237A發(fā)出MEMR和IOW信號；寫傳送將數(shù)據(jù)從I/O設(shè)備傳送到存儲器，8237A發(fā)出IOR和MEMW信號；校驗傳送時一種偽傳送，會產(chǎn)生地址信息和EOP信號，不產(chǎn)生讀

15、寫控制信號，進行測試時使用。三、8237A的內(nèi)部寄存器 北京工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院20單字節(jié)傳送方式：進行一次DMA傳送，只傳送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，傳送后計數(shù)器減1或加1，HRQ無效，釋放總線。若DREQ一直保持有效，可進入下一次DMA傳送。數(shù)據(jù)塊傳輸 方式：連續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)傳送完畢，字計數(shù)器減為0再減為ffffH，或外部產(chǎn)生EOP信號時，8237A才釋放總線。結(jié)束DMA傳輸。請求傳送方式：和數(shù)據(jù)塊傳輸方式類似，但傳輸中檢測DREQ信號，若無效則暫時停止，有效是再繼續(xù)。級聯(lián)傳輸方式，將多個8237A連在一起，以便擴大系統(tǒng)的DMA通道，如圖12-5，編程時主片應(yīng)置為級聯(lián)方式，從片不用設(shè)成級聯(lián)方式。

16、 三、8237A的內(nèi)部寄存器 北京工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院218237控制器/命令寄存器的格式：如為1：則進行存儲器到存儲器傳輸D0=1時，如D1=1，則源地址保持不變0 啟動8237工作1 停止8237工作0 普通時序1 壓縮時序0 固定優(yōu)先級1 循環(huán)優(yōu)先級0 不擴展寫信號1 擴展寫信號0 DREQ高電平有效1 DREQ低電平有效0 DACK低電平有效1 DACK高電平有效D7 | D6 | D5 | D4 | D3 | D2 | D1 | D0 北京工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院228237工作方式寄存器通道選擇 0 0 通道 0 1 通道 1 0 通道 1 1 通道傳輸類型選擇 0 0 校驗傳輸 0 1

17、寫傳輸 1 0 讀傳輸 1 1 無意義自動預(yù)置功能選擇 0 禁止 1 允許地址增減選擇 0 地址加 1 地址減方式選擇 0 0 請求傳輸方式 0 1 單字節(jié)傳輸方式 1 0 塊傳輸方式 1 1 級聯(lián)傳輸方式D7 | D6 | D5 | D4 | D3 | D2 | D1 | D0 北京工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院237、請求寄存器：4位寄存器，對應(yīng)每個通道的DMA請求信號DERQ。當(dāng)8237A工作于數(shù)據(jù)塊傳送時，也可用軟件方法使請求位置1或清0，請求字格式見圖12-6或見后面的圖8、屏蔽寄存器：4位寄存器，對應(yīng)每個通道。相應(yīng)位置1禁止DREQ的DMA請求，復(fù)位時允許DERQ請求。某通道禁止自動預(yù)置方式，

18、該通道產(chǎn)生EOP信號時，屏蔽位置位，禁止該通道DMA請求；RESET信號可使整個屏蔽寄存器置位8237A允許寫入兩種屏蔽字，需要寫入不同端口地址中。一個是通道屏蔽字，一個是珠屏蔽字，見圖12-7和12-8三、8237A的內(nèi)部寄存器 北京工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院248237請求寄存器的格式：通道選擇 0 0 通道0 0 1 通道1 1 0 通道2 1 1 通道3不用設(shè)置請求標(biāo)志 0 無請求 1 有請求D7 | D6 | D5 | D4 | D3 | D2 | D1 | D0 北京工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院258237通道屏蔽寄存器的格式：通道選擇 0 0 通道0 0 1 通道1 1 0 通道2 1 1 通道3

19、不用屏蔽設(shè)置 0 去除屏蔽位 1 設(shè)屏蔽位D7 | D6 | D5 | D4 | D3 | D2 | D1 | D01 對通道0設(shè)置屏蔽1 對通道1設(shè)置屏蔽1 對通道2設(shè)置屏蔽1 對通道3設(shè)置屏蔽不用D7 | D6 | D5 | D4 | D3 | D2 | D1 | D08237主屏蔽寄存器的格式： 北京工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院269、狀態(tài)寄存器：8位寄存器，存放狀態(tài)信息，可供CPU讀出，低4位表示哪些通道已達到計數(shù)終點，高4位表示哪些通道的DMA請求還未被處理，請求字格式見圖12-9或見后面的圖10、暫存寄存器：在存儲器到存儲器傳送時，暫存寄存器用來保存所傳送的數(shù)據(jù)，當(dāng)傳送完成時始終保存最后一個

20、傳送的數(shù)據(jù)字節(jié)，此字節(jié)可由CPU讀出11、軟件命令：在編程狀態(tài)，可執(zhí)行3個附加的命令，這3個命令不關(guān)心數(shù)據(jù)的內(nèi)容，只要對特定的端口地址進行一次寫操作，命令就生效。清除先/后觸發(fā)器：保證CPU先讀寫8位低字節(jié)，后讀寫8位高字節(jié)主清命令：也稱復(fù)位命令，其功能于RESET信號相同。清除屏蔽寄存器：該命令清除4個通道的全部屏蔽位，允許接收DMA請求三、8237A的內(nèi)部寄存器 北京工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院278237狀態(tài)寄存器的格式 ：通道計數(shù)結(jié)束狀態(tài)： 1 通道計數(shù)結(jié)束 1 通道計數(shù)結(jié)束 1 通道計數(shù)結(jié)束 1 通道計數(shù)結(jié)束通道請求狀態(tài)： 1 通道0有請求 1 通道1有請求 1 通道2有請求 1 通道3有請求

21、D7 | D6 | D5 | D4 | D3 | D2 | D1 | D0 北京工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院2812、各寄存器對應(yīng)的端口地址8237A具有16個I/O端口地址，見表12-2基地址和當(dāng)前地址寄存器和用一個端口，故在進行寫入操作時，被裝入相同的初識值，但當(dāng)前地址寄存器可由CPU讀出，而基地址的值不能讀出有些端口只能寫入，不能讀出三、8237A的內(nèi)部寄存器 北京工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院2912.2 8237A的時序一、外設(shè)和內(nèi)存間的DMA數(shù)據(jù)傳送時序 8237A有兩個主要的工作周期：空閑周期和有效周期。每個周期有若干個狀態(tài)構(gòu)成，有7個操作狀態(tài)。 SI是非操作狀態(tài)，未接到DMA請求時便進入此狀態(tài)，可有CPU編程，預(yù)置操作方式SO是DMA服務(wù)的第一個狀態(tài)