11第十一章 DMA控制器8237A

7.4DMA控制器

直接存儲器存?。―MA）是一種外設(shè)與存儲器之間直接傳輸數(shù)據(jù)的方法，適用于需要數(shù)據(jù)高速大量傳送的場合。DMA數(shù)據(jù)傳送利用DMA控制器進行控制，不需要CPU直接參與。Intel8237A是一種高性能的可編程DMA控制器芯片。在5MHz時鐘頻率下，其傳送速率可達1.6MB/s。每片8237A有4個獨立的DMA通道，即有4個DMA控制器（DMAC）。每個DMA通道具有不同的優(yōu)先權(quán)，都可以允許和禁止。每個通道有4種工作方式，一次傳送的最大長度可達64KB。多片8237A可以級連，任意擴展通道數(shù)。7.4.18237A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳

8237A要在DMA傳送期間作為系統(tǒng)的控制器件，所以，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部引腳都相對比較復(fù)雜。從應(yīng)用角度看，內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由兩類寄存器組成。一類是通道寄存器，它們是現(xiàn)行地址寄存器、現(xiàn)行字節(jié)數(shù)寄存器和基地址寄存器、基字節(jié)數(shù)寄存器，這些寄存器都是16位的寄存器。另一類是控制和狀態(tài)寄存器，它們是方式寄存器（6位寄存器）、命令寄存器（8位）、狀態(tài)寄存器（8位）、屏蔽寄存器（4位）、請求寄存器（4位）、臨時寄存器（8位）。

需要說明的引腳：

DMA通道請求（DREQ0～DREQ3）：每個通道對應(yīng)一個DREQ信號，用以接受外設(shè)的DMA請求。DMA通道響應(yīng)（DACK0～DACK3）：每個通道對應(yīng)一個DACK信號，是8237A對外設(shè)DMA請求的響應(yīng)信號。

總線請求(HRQ):當外設(shè)的I/O接口要求DMA傳輸時，向8237A發(fā)送DMA請求DREQ，若允許該通道產(chǎn)生DMA請求，則8237A輸出有效的HRQ高電平，向CPU申請使用系統(tǒng)總線。

總線響應(yīng)（HLDA）：當8237A向CPU發(fā)出總線請求信號后，至少再過一個時鐘周期，CPU才發(fā)出總線響應(yīng)信號HLDA，這樣，8237A可獲得總線的控制權(quán)。

低4位地址線（A0～A3）：雙向地址線。當8237A為從器件時，A0～A3作為輸入信號，CPU可通過它們對8237A的內(nèi)部寄存器進行尋址，從而實現(xiàn)對8237A的編程；當8237A為主器件時，A0～A3作為輸出信號，輸出低4位地址。

數(shù)據(jù)線（DB0～DB7）：雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線。當8237A為從器件時，用于CPU與8237A進行數(shù)據(jù)交換；當8237A為主器件時，用于輸出現(xiàn)行地址寄存器的高8位地址。

地址選通（ADSTB）：此信號有效時，把8237A現(xiàn)行地址寄存器中的高8位地址鎖存到DMA外部地址鎖存器。

地址允許（AEN）：此信號有效時，將8237A的外部地址鎖存器中的高8位地址送到地址總線A15～A8上，與芯片直接輸出的低8位地址組成內(nèi)存單元的偏移地址。AEN在DMA傳送期間也可作為使其它處理器輸出的地址無效的控制信號。

存儲器讀（）：三態(tài)輸出信號，低電平有效。有效時，所選中的存儲單元的內(nèi)容被讀出并送到數(shù)據(jù)總線上。

存儲器寫（）：三態(tài)輸出信號，低電平有效。有效時，數(shù)據(jù)總線上的內(nèi)容被寫入選中的存儲單元。

輸入輸出讀（）：雙向三態(tài)，低電平有效。當8237A為從器件時，作為8237A的輸入信號，此信號有效時，CPU讀取8237A內(nèi)部寄存器的值；當8237A為主器件時，作為8237A的輸出信號，此信號有效時，請求DMA的I/O接口部件中的數(shù)據(jù)被讀出并送往數(shù)據(jù)總線。

輸入輸出寫（）：雙向三態(tài)，低電平有效。當8237A為從器件時，作為8237A的輸入信號，此信號有效時，CPU往8237A內(nèi)部寄存器寫入信息；當8237A為主器件時，作為8237A的輸出信號，此信號有效時，從指定存儲單元中讀出的數(shù)據(jù)被寫入I/O接口中。

過程結(jié)束（）：低電平有效，雙向信號，在DMA傳送時，當當前字節(jié)數(shù)寄存器的計數(shù)值從0減到FFFFH時（即內(nèi)部DMA過程結(jié)束），從引腳上輸出一個負脈沖。若由外部輸入信號，DMA傳送過程被強迫終止。不論是內(nèi)部還是外部產(chǎn)生信號，都會終止DMA數(shù)據(jù)傳送。

準備好（READY）：高電平有效，輸入信號。在DMA傳送的第3個時鐘周期S3的下降沿檢測READY信號，若READY信號為低，則插入等待狀態(tài)SW，直到READY信號為高才進入第4個時鐘周期S4。

7.4.28237A的工作周期和時序1．空閑周期

當8237A的任一通道無DMA請求時就進入空閑周期，在空閑周期8237A始終處于SI狀態(tài)，每個SI狀態(tài)都采樣通道的請求輸入線DREQ。此外，8237A在SI狀態(tài)還采樣片選信號，當為低電平，且4個通道均無DMA請求，則8237A進入編程狀態(tài)，即CPU對8237A進行讀／寫操作。8237A在復(fù)位后處于空閑周期。2．有效周期

當8237A在SI狀態(tài)采樣到外設(shè)有DMA請求時，就脫離空閑周期進入有效周期，8237A作為系統(tǒng)的主器件時，控制DMA傳送操作。由于DMA傳送是借用系統(tǒng)總線完成的，所以，它的控制信號以及工作時序類似CPU總線周期。

8237A的DMA傳送時序

(1)當在SI脈沖的下降沿檢測到某一通道或幾個通道同時有DMA請求時，則在下一個周期就進入S0狀態(tài)；而且在SI脈沖的上升沿，使總線請求信號HRQ有效。在S0狀態(tài)8237A等待CPU對總線請求的響應(yīng)，只要未收到有效的總線請求應(yīng)答信號HLDA，8237A始終處于S0狀態(tài)。當在S0的上升沿采樣到有效的HLDA信號，則進入DMA傳送的S1狀態(tài)。(2)典型的DMA傳送由S1，S2，S3，S4四個狀態(tài)組成。在S1狀態(tài)使地址允許信號AEN有效。自S1狀態(tài)起，一方面把要訪問的存儲單元的高8位地址通過數(shù)據(jù)線DB0～DB7輸出，另一方面發(fā)出一個有效的地址選通信號ADSTB，利用ADSTB的下降沿把在數(shù)據(jù)線上的高8位地址鎖存至外部的地址鎖存器中，且在整個DMA傳送期間保持不變。同時，地址的低8位由地址線A0～A7輸出。(3)在S2狀態(tài)，8237A向外設(shè)輸出DMA響應(yīng)信號DACK。在通常情況下，外設(shè)的請求信號DREQ必須保持到DACK有效。即自S2狀態(tài)開始使“讀寫控制”信號有效：●如果將數(shù)據(jù)從存儲器傳送到外設(shè)，則8237A輸出有效信號，從指定的存儲單元讀出一個數(shù)據(jù)并送到系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線上，同時8237A還輸出有效信號將系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的這個數(shù)據(jù)寫人請求DMA傳送的外設(shè)中。●如果將數(shù)據(jù)從外設(shè)傳送到存儲器，則8237A輸出有效信號，從請求DMA傳送的外設(shè)讀取一個數(shù)據(jù)并送到系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線上，同時8237A還輸出有效信號將系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的這個數(shù)據(jù)寫人指定的存儲單元。由此可見，DMA傳送實現(xiàn)了外設(shè)與存儲器之間的直接數(shù)據(jù)傳送，傳送的數(shù)據(jù)不進人8237A內(nèi)部，也不進人CPU。

(4)在8237A輸出信號的控制下，利用S3和S4狀態(tài)完成數(shù)據(jù)傳送。若存儲器和外設(shè)不能在S4狀態(tài)前完成數(shù)據(jù)的傳送，則只要設(shè)法使READY信號變低，就可以在S3和S4狀態(tài)間插入SW等待狀態(tài)。在此狀態(tài)，所有控制信號維持不變，從而加寬DMA傳送的周期。(5)在數(shù)據(jù)塊傳送方式下，S4后面應(yīng)接著傳送下一個字節(jié)。因為DMA傳送的存儲器區(qū)域是連續(xù)的，通常情況下地址的高8位不變，只是低8位增量或減量。所以，輸出和鎖存高8位地址的S1狀態(tài)不需要了，直接進人S2狀態(tài)，由輸出低8位地址開始，在讀寫信號的控制下完成數(shù)據(jù)傳送。這種過程一直繼續(xù)到把規(guī)定的數(shù)據(jù)個數(shù)傳送完。此時，一個DMA傳送過程結(jié)束，8237A又進入空閑周期，等待新的請求。

7.4.38237A的工作方式和傳送類型1．8237A工作方式(1)單字節(jié)傳送方式

單字節(jié)傳送方式是8237A每傳送一個字節(jié)之后就釋放總線。傳送一個字節(jié)之后，字節(jié)計數(shù)器減1，地址寄存器加1或減1，HRQ變?yōu)闊o效。這樣，8237A釋放系統(tǒng)總線，將控制權(quán)還給CPU。當字節(jié)計數(shù)器從0減到FFFFH，產(chǎn)生終止計數(shù)信號，使變?yōu)榈碗娖?，從而結(jié)束DMA傳輸。單字節(jié)傳送方式的優(yōu)點是保證在二次DMA操作之間CPU有機會獲得至少一個總線周期的總線控制權(quán)，達到CPU與DMA控制器并行工作的狀態(tài)。

(2)數(shù)據(jù)塊傳送方式

在這種方式下，8237A由DREQ啟動，連續(xù)傳送數(shù)據(jù)，當字節(jié)計數(shù)器從0減到FFFFH，產(chǎn)生終止計數(shù)信號，使變?yōu)榈碗娖?，或者由外部輸人有效的信號，終止DMA傳送。在數(shù)據(jù)塊傳送方式中，要求DREQ保持到DACK變?yōu)橛行r即可，且一次DMA操作最多傳送64KB。數(shù)據(jù)塊傳送方式的特點是：一次請求傳送一個數(shù)據(jù)塊，效率高；但在整個DMA傳送期間，CPU無法控制總線。(3)請求傳送方式

與數(shù)據(jù)塊傳送方式類似。但當DREQ信號變?yōu)闊o效時，則暫停DMA傳送；當DREQ再次變?yōu)橛行r，DMA傳送繼續(xù)進行，直至字節(jié)計數(shù)器從0減到FFFFH，或由外部送來一個有效信號。

(4)級連方式8237A可以多級級聯(lián)，擴展DMA通道。第二級的HRQ和HLDA信號連到第一級某個通道的DREQ和DACK上，第二級芯片的優(yōu)先權(quán)與所連接的通道相對應(yīng)。2．DMA傳送類型(1)讀傳輸：是指從指定的存儲器單元讀出數(shù)據(jù)寫入到相應(yīng)的I/O設(shè)備。DMA控制器發(fā)出和信號。(2)寫傳輸：是指從I/O設(shè)備讀出數(shù)據(jù)寫入到指定的存儲器單元。DMA控制器發(fā)出和信號。(3)DMA傳送：是一種偽傳送操作，用于校驗8237A的內(nèi)部功能。它和讀傳輸和寫傳輸一樣產(chǎn)生存儲器地址和時序信號，但存儲器和I/O的讀寫控制信號無效。

(4)存儲器到存儲器的傳送：使用此方式8237A可實現(xiàn)存儲器內(nèi)部不同區(qū)域之間的傳輸。這種傳送類型僅適用于通道0和通道1，此時通道0的地址寄存器存源數(shù)據(jù)區(qū)地址，通道1的地址寄存器存目的數(shù)據(jù)區(qū)地址，通道1的字節(jié)數(shù)計數(shù)器存?zhèn)魉偷淖止?jié)數(shù)。傳送由設(shè)置通道0的DMA請求（設(shè)置請求寄存器）啟動，8237A按正常方式向CPU發(fā)出HRQ請求信號，待HLDA響應(yīng)后傳送就開始。每傳送一個字節(jié)需用8個狀態(tài)，前4個狀態(tài)用于從源存儲器中讀取數(shù)據(jù)并存放于8237A中的數(shù)據(jù)暫存器，后4個狀態(tài)用于將數(shù)據(jù)暫存器的內(nèi)容寫入目的存儲器中。7.4.48237A的寄存器A3A2A1A0讀操作寫操作0000通道0現(xiàn)行地址寄存器通道0地址寄存器0001通道0現(xiàn)行字節(jié)數(shù)寄存器通道0字節(jié)數(shù)寄存器0010通道1現(xiàn)行地址寄存器通道1地址寄存器0011通道1現(xiàn)行字節(jié)數(shù)寄存器通道1字節(jié)數(shù)寄存器0100通道2現(xiàn)行地址寄存器通道2地址寄存器0101通道2現(xiàn)行字節(jié)數(shù)寄存器通道2字節(jié)數(shù)寄存器0110通道3現(xiàn)行地址寄存器通道3地址寄存器0111通道3現(xiàn)行字節(jié)數(shù)寄存器通道3字節(jié)數(shù)寄存器1000狀態(tài)寄存器命令寄存器1001－請求寄存器1010－單通道屏蔽字1011－方式寄存器1100－清先／后觸發(fā)器命令1101暫存器復(fù)位命令1110－清屏蔽寄存器命令1111－綜合屏蔽字1．基地址寄存器用于保存DMA傳送的起始地址，不能被CPU讀出。2．現(xiàn)行地址寄存器

保存DMA傳送的當前地址，每次傳送后這個寄存器的值自動加1或減1。這個寄存器的值可由CPU寫入和讀出。其初值就是基地址寄存器內(nèi)容。3．基字節(jié)數(shù)寄存器

用于保存每次DMA操作需要傳送數(shù)據(jù)的字節(jié)總數(shù)，不能被CPU讀出。4．現(xiàn)行字節(jié)數(shù)寄存器

保存DMA還需傳送的字節(jié)數(shù)，每次傳送后減1。這個寄存器的值可由CPU寫入和讀出。當這個寄存器的值從0減到FFFFH時，產(chǎn)生終止計數(shù)信號，使變?yōu)榈碗娖健?．方式寄存器

存放相應(yīng)通道的方式控制字，用于設(shè)置某個DMA通道的工作方式。

若8237A被設(shè)置為允許自動預(yù)置功能，則當DMA傳送結(jié)束有效時，現(xiàn)行地址寄存器和現(xiàn)行字節(jié)數(shù)寄存器會從基地址寄存器和基字節(jié)數(shù)寄存器中重新取得初值，從而又可以進入下一個數(shù)據(jù)傳輸過程。5．命令寄存器存放8237A的命令字，用于設(shè)置8237A的操作方式。

當D0=1時選擇存儲器到存儲器的傳送方式，此時，通道0的地址寄存器存放源地址，通道1的地址寄存器和字節(jié)計數(shù)器存放目的地址和計數(shù)值。若D1也為“1”，則整個存儲器到存儲器的傳送過程始終保持同一個源地址，以便實現(xiàn)將一個目的存儲區(qū)域設(shè)置為同一個值。D3：決定是壓縮時序還是普通時序。8237A工作于壓縮時序時，進行一次DMA傳輸需2個時鐘周期，而工作于普通時序時，進行一次DMA傳輸需3個時鐘周期。D4：決定4個通道的優(yōu)先級方式。一種是固定優(yōu)先級方式，即通道0的優(yōu)先級最高，通道3的優(yōu)先級最低。另一種是循環(huán)優(yōu)先級方式，即某通道進行一次傳輸以后，其優(yōu)先級降為最低。

D5：決定是否擴展寫信號。關(guān)于擴展寫信號說明如下：如果外部設(shè)備的速度較慢，必須用普通時序工作，若普通時序仍不能滿足要求，就要在硬件上通過READY信號使8237A插入SW狀態(tài)。有些設(shè)備是用8237A送出的或信號的下降沿產(chǎn)生READY信號響應(yīng)的，而這兩個信號是在S4狀態(tài)才送出的。為使READY信號早點到來，將這兩個信號擴展到S3狀態(tài)開始有效。7．請求寄存器除可利用硬件提出DMA請求外，還可通過軟件發(fā)出DMA請求。8．屏蔽寄存器用于控制每個通道的DMA請求是否有效。對屏蔽寄存器的寫入有2種方法：(1)單通道屏蔽字，實現(xiàn)對某一通道DMA屏蔽標志的設(shè)置。(2)綜合屏蔽字，實現(xiàn)對4個通道DMA屏蔽標志的設(shè)置。

9．狀態(tài)寄存器

狀態(tài)寄存器的各位分別表示各通道是否有DMA請求及是否終止計數(shù)。10．暫存器

在存儲器到存儲器的傳送方式下，暫存器用于保存從源存儲單元讀出的數(shù)據(jù)。

7.4.58237A的軟件命令1．復(fù)位命令復(fù)位命令也叫綜合清除命令，它的功能和RESET信號相同。復(fù)位命令使命令寄存器、狀態(tài)寄存器、請求寄存器、暫存器以及先／后觸發(fā)器清0，而使屏蔽寄存器置位。2．清除先／后觸發(fā)器命令先／后觸發(fā)器是用來控制DMA通道中地址寄存器和字節(jié)計數(shù)器的初值設(shè)置的。由于8237A只有8位數(shù)據(jù)線，所以，一次只能傳輸一個字節(jié)。而地址寄存器和字節(jié)計數(shù)器都是16位的，這些寄存器都要通過2次傳輸才能完成初值設(shè)置。為了保證能正確設(shè)置16位初值，應(yīng)先發(fā)出清除先／后觸發(fā)器命令，寫入低8位數(shù)據(jù)后，先／后觸發(fā)器自動置1，寫入高8位數(shù)據(jù)后，先／后觸發(fā)器自動復(fù)位為0。3．清除屏蔽寄存器命令使4個屏蔽位都清0，即4個通道的DMA請求都被允許。7.4.68237A的應(yīng)用1．8237A在IBMPC／XT上的應(yīng)用

IBMPC/XT機使用一片8237A。通道0用來對動態(tài)存儲器刷新；通道2和通道3分別用于軟盤和硬盤驅(qū)動器與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸；通道1用作同步數(shù)據(jù)鏈路通信（SDLC）卡與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸，若系統(tǒng)不使用該通信卡，則可供用戶使用。

根據(jù)系統(tǒng)板I/O譯碼電路所產(chǎn)生的DMA片選信號，DMAC的端口地址范圍是00H～1FH，DMAC的A3～A0腳同系統(tǒng)地址線A3～A0相連，A4未參加譯碼，取A4＝0時的地址00～0FH為DMAC的端口地址。8237A只提供16位地址，系統(tǒng)的高4位地址由附加邏輯電路（頁面寄存器）提供，以形成整個微機系統(tǒng)需要的所有存儲器地址。系統(tǒng)分配給頁面寄存器的端口地址為80H～83H。

【例題7.3】在PC/XT機中，利用8237A通道0輸出存儲器地址進行DRAM的刷新操作，其DMA傳送程序如下：；；；MOVAL,0OUT0DH,AL ；復(fù)位命令MOVAL,0 ；命令字：固定優(yōu)先權(quán)，DREQ高有效、DACK低有效、OUT08H,AL；滯后寫、正常時序MOVAL,0OUT00H,AL ；寫入通道0的地址寄存器低字節(jié)OUT00H,AL ；寫入通道0的地址寄存器高字節(jié)MOVAL,0FFHOUT01H,AL ；寫入通道0的字節(jié)數(shù)寄存器低字節(jié)OUT01H,AL ；寫入通道0的字節(jié)