第8章 DMA技术与DMA控制器.pptVIP

1,第8章 dma技术与dma控制器,8.1 dma技术概述 8.2 可编程dma控制器8237a 8.3 dma技术在微机系统中的应用,直接存储器存取,2,1.dma(direct memory access)的概念 dma方式不用处理器干预完成m与i/o间数据传送。 dma期间系统总线由其它主模块控制(驱动) 控制总线的主模块要提供系统的地址及控制信号。 dma控制器与处理器配合可实现系统的dma功能。,8.1 dma技术概述,3,2. dma系统组成及工作过程 dma系统组成,4,dmac的基本功能,接收接口往dma控制器发出dma请求信号后，dma控制器能向cpu发出总线请求信号hold(高电平)。 当cpu向dma发出响应信号hlda(高电平)以后，dma能接管对总线的控制，进入dma方式。 能向地址总线发出内存地址信息，对其进行寻址及修改地址指针。,5,dmac的基本功能,能向存储器或i/o接口发相应的读写控制信号。 能决定传送字节数，并判断dma传送是否结束。 dma过程结束，能向cpu发出dma结束信号，hold变低,将总线控制权还给cpu，cpu恢复正常工作。,6,允许 dma,dma 请求？,dmac发bus请求,cpu响应dma 放弃bus,dmac控制 传一个字节,块结束否？,放弃总线中断请求,n,dma 放 总 线,n,y,字节传送,y,dma传送方式,7,允许 dma,dma请求？,dmac发bus请求,cpu 响应 dma 放弃 bus,dmac控制 传一个字节,块结束否？,放总线中断请求,dma请求？,n,y,y,n,块传送,dma传送方式,8,允许 dma,dma请求？,dmac发出bus请求,cpu响应dma放弃总线,dmac 控制传一个字节,块结束否？,放总线中断请求,y,dma请求？,y,放总线,n,n,y,随机请求 demand request,dma传送方式,9,i/o设备向dmac发出dma请求,dmac向cpu发出总线请求,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,cpu脱离对系统总线的控制， 由dmac接管对系统总线的控制,dmac向i/o设备发出 的dma应答信号,dmac进行一个字节的传送,完成设定的字节数据传送， cpu恢复对系统总线的控制,dma传送的过程,10,8.2 可编程dma控制器8237a,8.2.1 8237a的主要特性 1具有四个独立的dma通道，每个通道都具有64k的存贮器寻址能力，即一次传送的最大长度为64k字节。 2可实现内存与外设之间的高速大批量数据传送 ，也可实现内存两个不同区域之间的高速数据传送。 3每个通道的dma请求均可分别允许或禁止，且四个通道的dma请求的优先权可由软件设置为固定的或循环的。,11,8237a的主要特性,4具有单字节传送、数据块传送、请求传送和级联传送四种工作方式。 5可用级联方式扩展dma通道数目。 6dma传送结束信号可由内部计数产生，也可由外部输入提供。 7单一的+5v电源，40个引脚双列直插式封装。 8采用5mhz时钟，传送速率可达1.6m字节/秒。,12,8采用5mhz时钟，传送速率可达1.6m字节/秒。 8237进行一次dma传送需要3个时钟周期(不包括插入的等待周期sw)。时钟周期为200 ns，则一次dma传送需要200 ns3200 ns700 ns（1.6 m字节/秒）。多加一个200 ns是考虑到人为插入一个sw的缘故。另外，8237为了提高传输速率，可以在压缩定时状态下工作。在此状态下，每一个dma总线周期仅用两个时钟周期（200 ns2=400ns ）就可实现，这大大提高了传输速率。,13,8.2.2 8237a的工作原理,18237a的编程结构 编程结构见下页图 内部有大量寄存器，内部寄存器的功能、端口地址等信息 参见下表.,14,intel 8237a可编程dma控制器框图,15,1）8237a组成说明： 8237a有四个独立通道：通道0通道3。每个通道可独立响应外部dma请求，完成dma传送。,15,16,控制寄存器， 8位,16,四个通道公用,优先级编码电路-优先级裁决,17,8237的引脚功能,17,18,8237的引脚功能,请求/应答信号 外设接口电路向8237的请求信号：dreq3dreq0 8237对外设接口电路的应答信号：dack3dack0 8237向cpu申请总线的信号：hrq（连至cpu的hold） cpu向8237传送的允许使用总线信号：hlda,cpu,dma,外设,hrq,dreq,hlda dack,18,19,8237的引脚功能,地址信号 ：cpu初始化8237或读8237状态时所需的片选信号 a7a0（输出）：8237访问存储器的地址信号的低8位。 a3a0（输入）：cpu初始化8237或读8237状态时，用于寻址8237内部寄存器,19,20,8237的引脚功能,数据信号(双向)： db7db0,cpu为主控时，可以通过i/o读命令查询8237的状态寄存器的内容，或通过i/o写命令对8237的内部寄存器进行编程，数据传送通过db7db0 8237为主控时， db7db0输出要访问的内存地址的高8位，并通过adstb锁存到外部地址锁存器中，和a7a0输出的低8位地址一起构成16位地址,20,21,8237的引脚功能,地址允许信号：aen 8237作为主控时（8237控制总线），输出aen=1。 8237作为从控时（cpu控制总线），输出aen=0。 dma传输结束信号： （双向） 当dmac内部任一通道传输结束，8237发出 若由外部给dmac送入有效的 ，则强制dmac内部 所有通道结束传输。,21,22,8237的引脚功能,memr/memw：,8237发出的存储器读/写信号,ior/iow：,8237作为主控时，输出的i/o读/写信号。 8237作为从控时，cpu发出的i/o读/写信号，用于读/写8237,22,23,8237的引脚功能,adstb：地址选通信号,用于启动地址锁存器,ready：存储器或i/o的就绪信号,23,24,dma控制器8237,工作方式 1）从模块工作方式： 当cpu将数据送入或取出8237时，dma完全象一个普通的i/o接口，此时它工作于从模块。,24,25,dma控制器8237,d0d7 db0db7 ior ior cpu iow iow 8237 a0a3 a0a3 a4a15 cs 此时cpu对8237进行初始化或读出8237中的状态。,25,译码,26,dma控制器8237,2）主模块工作方式： 此时dma已取代cpu控制系统。它 将提供系统正常工作的地址信息，控 制信息完成dma方式的数据传送。,26,27,dma控制器8237,aen a0a7 a0a7 8237 en adstb db0db7 a8a15 iow ior memw memr,27,stb 锁存器,28,dma控制器8237,28,那对于20位地址线8237如何处理？,由上可见8237工作于模块方式，可取代cpu产生地址及控制信息。,8237a处于dma方式时,全部地址均用来寻址存储器,无法同时提供i/o设备的端口地址.为了寻址外部设备,8237a提供dack信号,作为对请求dma方式的外部设备的应答,并指明该外部设备被认可,可以进行dma传送.在整个传输过程中只要dack信号,ior,iow同时有效,就能完成读外部设备的i/o读写操作.所以,在dma方式下,i/o设备的地址无效.即:以dack代替了片选和译码功能.,在8086/88系统中，系统的寻址范围是1mb，地址线有20条，即a0a19。为了能够在8086/88系统中使用8237来实现dma，需要用硬件提供一组4位的页寄存器。 通道0、1、2、3各有一个4位的页寄存器。在进行dma传送之前，这些页寄存器可利用i/o地址来装入和读出。当进行dma传送时，dmac将a0a15放在系统总线上，同时页寄存器把a16a19也放在系统总线上，形成a0a19这20位地址信号实现dma传送。其地址产生如图所示。,29,利用页寄存器产生存储器地址,29,30,8237a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,31,(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，字节数寄存器减1，地址寄存器加1或减1，hrq变为无效 8237a释放系统总线，将控制权还给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,dma传送方式,32,(2) dma传送数据块方式,由dreq启动就连续地传送数据，直到字节数寄存器从0减到ffffh终止计数，或由外部输入有效信号终结dma传送 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）,33,(3) dma传送请求方式,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,34,(4) dma传送级连方式,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,35,8237a的级联,36,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,dma传送类型,37,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,存储器到存储器的传送,38,8237a的工作方式由写模式寄存器决定,存放相应通道的方式控制字 选择某个dma通道的工作方式 其中用最低2位选择哪个dma通道,请看方式字的格式,39,方式字格式（写b号）,00 请求模式 01 单字节模式 10 数据块模式 11 级联模式,0 地址增量（加1） 1 地址减量（减1）,0 禁止自动初始化 1 允许自动初始化,00 dma校验 01 dma写 10 dma读 11 非法 若d7d611,00 通道0 01 通道1 10 通道2 11 通道3,40,dma控制器8237,自动预置功能： d4：当设置为自动预置时，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,40,41,dma控制器8237,d3 d2：传输方式设定 写输入： i/o设备往内存写入数据。 读输入； 将内存数据送往i/o设备。 校验传输：用于对读传输和写传输功能进行 校验，是虚拟传输，8237此时只产 生eop信号和地址信号。,41,42,dma控制器8237,42,8237,存 储 器,i/o 设备,8237,写传输 读传输,存 储 器,i/o 设备,a0a15,memw,ior,d0d7,a0a7,memr,iow,43,当8237a没有被外围设备用来进行dma操作时，此时它处于所谓空闲状态。在这种状态下，微处理器可以向这个dma控制器输出命令以及读写它的内部寄存器 。,8.4 827a的时序,44,dma控制器的工作时序,dma空闲周期si 过渡状态s0 有效周期（s1、s2、s3、s4）,8237a内部状态变化流程,45,8237a的工作时序空闲周期,8237a的任一通道都没有dma请求时 8237a由微处理器控制作为一个接口芯片 cpu可对8237a编程，或从8237a读取状态 8237a采样cs*选片信号，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,进入有效周期,46,8237a的工作时序有效周期,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,进入dma传送时序,47,dma传送时序,48,a） s1 周期： dmac在s1 状态发出地址允许aen信号，通过数据总线db0db7将高8位地址a8 a15锁存起来。多数情况下，这几位地址不需改变，故可直接进入s2周期。 b） s2周期：修改存储单元的低8位地址，（高8位已锁存） 向i/o发请求回答信号dack，准备 传送数据。 c） s3周期：送高8位地址a8 a15到地址总线，发出memr或ior读命令，从内存或i/o准备传送数据。 d） s4周期：发iow或memr命令。 用普通时序时，每进行一次dma传输，一般用3个时钟周期（ s2 s3 s4 ）；压缩时序，用两个时钟周期（s2 s4 ），此时只更新低8位地址，不修改高8位地址,48,8237a的工作周期、时序与模式,49,8237a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,全部都用地址a0a3区分,50,1. 8237a 的控制寄存器,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d20才使8237a可以作为dma控制器,请看命令字的格式,8.5 8237a 的控制寄存器和状态寄存器,51,命令字格式,8237a 控制/命令寄存器格式（写8号）：硬件设置与运行控制 8237a硬件设置：,52,dma控制器8237,控制寄存器格式和有关问题：,52,d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0,do：为1则为内存到内存的传送。此时通道0用于存放源地址，通道1用于存放目的地址及计数值。,53,dma控制器8237,d0d7,53,8237,暂存器,内存,内存,a0a15,memw,memr,d0d7,内存到内存的传输,54,dma控制器8237,d1：为1时，可实现内存到内存时，使源 地址不变而目的地址变化，用于实现 内存的初始化。 d2：为0启动8237工作，d2为1停止8237 作。 d3：为0普通时序，为1压缩时序。 当地址范围仅用于a7a0时的dma时 序为压缩时序，即一次可传送最多 256个数据。,54,55,dma通道的优先权方式,d4=0 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 d4=1 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,d5：为0不扩展写信号；为1扩展写信号，使memw，iow扩展2个时钟周期。,56,dma控制器8237,2. 状态寄存器格式：,56,d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0,d0 d1 d2 d3：表示4个通道计数结束状态 1：结束； 0：未结束 d4 d5 d6 d7：表示4个通道dma请求情 况 1：申请； 0：无申请,（读8号）,57,3. 请求寄存器,存放软件dma请求状态 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,请看请求字的格式,58,请求字格式,8237a dma 请求寄存器 格式（写9号）,d6： 1：dreq高电平有效。,59,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,请看屏蔽字的格式,60,单通道屏蔽字格式,8237a 屏蔽寄存器格式 （单一位）（写a号）,61,主屏蔽字格式,di0 清通道i屏蔽位di1 置通道i屏蔽位,8237a 全4位 mask 寄存器 格式 （写f号）,62,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零,63,4. 8237的字节指针 (1) 现行地址寄存器,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 这个寄存器的值可由cpu写入和读出,基地址寄存器 存放初始值,64,(2) 现行字节数寄存器,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,基字节数寄存器 存放初始值,传送n个字节，初始值为n1,65,读写通道寄存器,cpu与8237a之间通过8位数据总线交换信息，8237a的通道寄存器均为16位 需要两次读写操作才能实现cpu与8237a之间的一个完整数据的交换 8237a内含一个高/低触发器，用来控制读写通道寄存器的高、低字节,66,高/低触发器,该触发器为0，控制读写低字节 该触发器为1，控制读写高字节 软、硬件复位后，触发器为0 每次读写通道寄存器，自动改变触发器状态。如果对16位寄存器的操作用两次连续读写进行，就不必清除这个触发器 清除高/低触发器软件命令（a3a2a1a01100）将使高/低触发器清零,67,3个软件命令,清除高/低触发器软件命令 a3a2a1a01100=0ch，使高/低触发器清零 主清除命令 a3a2a1a01101=0dh，使高/低触发器清零 还使命令、状态、请求、临时寄存器清零 使屏蔽寄存器置为全1（禁止dma请求） 主清除命令与硬件的reset信号具有相同的功能 清屏蔽寄存器命令 a3a2a1a01110=0eh，使4个屏蔽位都清零（允许dma请求）,68,内部寄存器的寻址问题,占用16个端口地址 问题：如此多的寄存器，采用什么方法只用16个端口地址就能访问到？ 端口分配表（见下页）,68,69,8237内部寄存器的寻址,70,8.7 8237的编程,1. 编程步骤 8237的编程通常可按如下步骤进行： (1) 输出主清除命令；总清时只要求对总清地址进行写操作并不关心写入什么数据。 (2) 置页面寄存器； (3) 写入基和当前地址寄存器； (4) 写入基和当前字节计数寄存器； (5) 写入模式寄存器； (6) 写入命令寄存器； (7) 写入屏蔽寄存器； (8) 写入请求寄存器。,70,71,其中第(8)步是采用软件dma请求时所需要的，由此可将相应的请求命令字写入指定通道，从而启动dma传送过程； 若为硬件dma请求，则无需此步骤，只要在完成了(1)(7)步编程后，由通道的dreq信号即可启动dma传送过程。,71,72,编程举例 在ibmpc系统中，试利用8237通道1，将内存8000h：0h开始的16k字节数据传送至磁盘(地址增量传送)。 要求采用块传送方式，传送完不自动预置，dreq和dack均为高电平有效，固定优先级，普通时序，不扩展写信号。 系统中8237的端口地址为00h0fh。 通道1“页面寄存器”的端口地址为83h。,72,73,89h,块方式,读传送,通道1,地址增量,非自动初始化,（1）确定模式字,73,74,（2）确定命令字,非存储器至 存储器传送,无意义,控制器允许,普通时序,dack 高电平有效,dreq 高电平有效,正常写,固定优先级,80h,74,75,（3）确定屏蔽字,01h,通道1的屏蔽位复位,75,76,初始化程序如下：,out 0dh，al ； 输出主清除命令 mov al, 08h ； 置通道1“页面寄存器” 页面地址为8（a19 a16=08h） out 83h, al mov al， 00h ； 写入基和当前地址低8位 out 02h，al mov al，00h ； 写入基和当前地址高8位 out 02h，al mov al，00h ； 写入基和当前字节计数寄存器低8位 out 03h，al mov al，40h ； 写入基和当前字节计数寄存器高8位 out 03h，al mov al，89h ； 输出模式字 out 0bh，al mov al，80h ； 输出命令字 out 08h，al ；8237内部寄存器的寻址 mov al，01h ； 输出屏蔽字 out 0ah，al,76,77,8237a的编程（续1）,dma通道的dma传送编程： 将存储器起始地址写入地址寄存器（如果采用地址减量工作，则是结尾地址） 将本次dma传送的数据个数写入字节数寄存器（个数要减1） 确定通道的工作方式，写入方式寄存器 写入屏蔽寄存器复位通道屏蔽位，允许dma请求,请看实例,78,8237a的编程（续2）,两种方法反映dma过程结束（即终止计数、发生tc）： 状态寄存器的低4位 信号（需配合dack响应信号确定通道） 应用程序处理dma传送过程结束： 采用软件查询状态字 采用硬件中断在中断服务程序处理,79,8237a的应用,8237a在pc系列机的使用情况 dma写传送 dma设定子程序,80,8237a在ibm pc系列机上的应用,ibm pc/xt机使用一片8237a 通道0：动态存贮器dram刷新 通道1：用户使用或sdlc卡 通道2：内存与软盘的高速数据交换 通道3：内存与硬盘的高速数据交换 ibm pc/at机采用两片8237a dmac1包含通道03，支持8位数据传送 dmac2组成通道47，通道57支持16位数据传送，通道4用于级连,81,(1) 8237a的初始化,8237a初始化写入命令字为0，确定了： dreq高电平有效、dack低电平有效，固定优先权（依次为通道0、17） 不进行存储器到存储器的数据传输 pc机用dma控制电路进行刷新，所以dma传送不能长时间占用总线（不应超过15s），一般只能使用单字节传送方式 在pc系列机上，用户如果使用dma通道，要注意遵从上述系统要求。除了要禁止8237a工作，用户通常不必操作命令寄存器,82,(2) 高位地址的形成,dma传送时的高位地址由“页面寄存器”提供 页面寄存器由cpu的输出指令实现写入 dmac1的通道0通道3：8237a提供系统a0a15低16位地址，页面寄存器输出系统a16a23高8位地址 dmac2的通道5通道7：8237a提供系统a1a16的16位地址，而系统a0被强迫为逻辑0，页面寄存器仅输出高7位地址a17a23,页面寄存器不会自动增减量 高位地址在dma传送过程中不改变,83,dma通道0的刷新编程,out 0dh,al ;dmac主清除命令 mov al,0 out 08,al ;dmac命令字 mov al,0 out 00,al ;通道0的地