第4章 DMA技术

1、 DMA技术技术第第4 4章章 DMADMA技术技术教学重点n DMA（ Direct Memory Access）特点特点n8237A的工作方式的工作方式n8237A寄存器组的编程寄存器组的编程4.1 DMA传送的特点n（1）在内存与）在内存与I/O设备之间或内存与内存之间直接传设备之间或内存与内存之间直接传送数据，不需要送数据，不需要CPU的中转的中转n（2）主要用于需要高速大批量数据传送的系统中，以）主要用于需要高速大批量数据传送的系统中，以提高数据吞吐量。如磁盘存取、高速数据采集等系统提高数据吞吐量。如磁盘存取、高速数据采集等系统中中n（3）DMA传送方式的优点是以增加系统硬件的复杂传

2、送方式的优点是以增加系统硬件的复杂性和成本为代价的，需要有性和成本为代价的，需要有DMA硬件（硬件（DMA控制控制器）。器）。DMA控制方式与程序控制方式相比较，是用硬控制方式与程序控制方式相比较，是用硬件控制代替了软件控制件控制代替了软件控制n（4）通常采用）通常采用DMA控制器来取代控制器来取代CPU。负责。负责DMA传传送的全过程控制送的全过程控制4.2 DMA传送的过程n DMA传送从开始到结束全过程分为几个阶传送从开始到结束全过程分为几个阶段，在段，在DMA操作开始之前，用户应根据需要操作开始之前，用户应根据需要先对先对DMA控制器编程，把要传送的数据字节控制器编程，把要传送的数据字

3、节数据，数据在存储器中的起始地址、传送方向、数据，数据在存储器中的起始地址、传送方向、DMAC通道号等信息送到通道号等信息送到DMAC中，这叫中，这叫DMAC的初始化。初始化后，就等待外部设备的初始化。初始化后，就等待外部设备来申请来申请DMA请求。请求。n1.申请阶段申请阶段n2.响应阶段响应阶段n3.数据传送阶段数据传送阶段n4.传送结束阶段传送结束阶段4.3 DMA传送的方式n一、一、DMA操作类型操作类型 DMA传送主要是作数据传送操作，但也包传送主要是作数据传送操作，但也包括一些并不是进行数据传送的操作，如数据校括一些并不是进行数据传送的操作，如数据校验和数据检索等。验和数据检索等。

4、1.数据传送，数据传送是把源地址的数据传送到数据传送，数据传送是把源地址的数据传送到目的地址单元中去。并且目的地址单元中去。并且DMA传送的读传送的读/写操写操作是从存储器的立场来说的，即作是从存储器的立场来说的，即DMA读是指读是指从存储器读出数据，写到外设中去，从存储器读出数据，写到外设中去，DMA写写是指从外设读出数据，写到存储器中去是指从外设读出数据，写到存储器中去。2.数据校验，校验操作并不是对数据进行传送，数据校验，校验操作并不是对数据进行传送，只是对数据块内每个字节进行某种校验。只是对数据块内每个字节进行某种校验。3.数据检索，数据检索操作和数据校验一数据检索，数据检索操作和数据

5、校验一样，并不进行数据传送，只是对在指定样，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，如果查到就停止关键数据位是否存在，如果查到就停止检索。检索。n二、二、DMA操作方式操作方式 DMA操作方式是指进行上述每种操作方式是指进行上述每种DMA操操作类型时，每次作类型时，每次DMA操作所操作的字节数，操作所操作的字节数，每种每种DMA操作类型，一般都有操作类型，一般都有3种操作方式。种操作方式。1.单字节方式，每次单字节方式，每次DMA操作只操作一个字节，操作只操作一个字节，即发出一次总线请求，即发出一次总线请求，DMAC

6、占用总线后，进占用总线后，进入入DMA周期只传送一个字节数据，便释放总周期只传送一个字节数据，便释放总线。线。2.连续方式，在数据块传送的整个过程中，只要连续方式，在数据块传送的整个过程中，只要DMA传送一开始，传送一开始，DMAC始终占用总线，直始终占用总线，直到数据传送结束，才把总线的控制权还给到数据传送结束，才把总线的控制权还给CPU。3.请求方式，这种方式是以外部是否有请求方式，这种方式是以外部是否有DMA请求来决定，请求来决定，有请求时，有请求时，DMAC才占用总线；当请求（才占用总线；当请求（DREQ）无）无效时，效时，DMAC会释放总线，把总线控制权交给会释放总线，把总线控制权交

7、给CPU。 4.4 DMA控制器（DMAC）n一、一、DMA控制器在系统中的地位控制器在系统中的地位 DMA控制器在系统中的两种工作状态控制器在系统中的两种工作状态 DMA控制器是作为两种存储实体之间实现高速数据传送而设计的专用器件。它与其他外围接口器件不同，它具有接管和控制微机中系统总线（地址、数据、控制总线）的功能。对于一般的外设而言它是主控者，对对于一般的外设而言它是主控者，对于于CPU而言它又是受控者而言它又是受控者。因此，DMAC在系统中有两种工作状态：被动态与主动态被动态与主动态，可在两种不同的地位：受控器和主控器受控器和主控器。 二、总线控制权在二、总线控制权在DMA控制器与控制

8、器与CPU之间的转之间的转移移 当当DMAC收到一个从收到一个从外设外设发来的发来的DREQ请求信号请求进行请求信号请求进行DMA传送时，传送时，DMAC经判优及屏蔽处理后向总线仲裁器送出总经判优及屏蔽处理后向总线仲裁器送出总线请求线请求HRQ到到CPU要求占用总线。要求占用总线。CPU在认为可能的情况下，在认为可能的情况下，在完成总线周期后进入总线保持状态，使在完成总线周期后进入总线保持状态，使CPU对总线的控制失效对总线的控制失效（地址、数据、控制总线变为高阻态），并发回（地址、数据、控制总线变为高阻态），并发回HLDA总线应答总线应答信号通知信号通知DMAC，CPU已交出总线控制权。此时

9、已交出总线控制权。此时DMAC接管总线接管总线控制权，由被动态进入主动态，然后由它向控制权，由被动态进入主动态，然后由它向I/O设备发设备发DMA应答应答信号信号DACK和读和读/写信号，向存储器发地址信号和读写信号，开始写信号，向存储器发地址信号和读写信号，开始DMA传送，传送结束传送，传送结束DMAC发出过程中止信号。发出过程中止信号。 HRQ DREQCPU DMAC 外设 HLDA DACK三、三、DMA控制器控制器8237A-5 1.8237A-5的外部特性的外部特性DMAC8237A-5是是Intel公司生产一种应用较广的控制器，具有公司生产一种应用较广的控制器，具有如下特点：如下

10、特点：（）每个（）每个8237A芯片有芯片有4个个DMA通道通道（）每个（）每个DMA通道具有不同的优先权通道具有不同的优先权（）每个（）每个DMA通道可以分别允许和禁止通道可以分别允许和禁止（）每个（）每个DMA通道有通道有4种工作方式种工作方式（）一次传送的最大长度可达（）一次传送的最大长度可达64KB，其数据传送率可，其数据传送率可 达达1.5Mb/s（）多个（）多个8237A芯片可以级连，扩展通道芯片可以级连，扩展通道8237A-5是一个是一个40引脚的双列直插式芯片。如图引脚的双列直插式芯片。如图4.1所示，由于它既所示，由于它既是主控者又是受控者，故外部引脚设置也具有特色，下面对各

11、引是主控者又是受控者，故外部引脚设置也具有特色，下面对各引脚步功能加以说明。脚步功能加以说明。4.1nDREQ0DREQ3：DMA通道请求。当外设需通道请求。当外设需要请求要请求DMA服务时，将服务时，将DREQ信号置成有效电信号置成有效电平，并要保持到产生响应信号，它们的优先级平，并要保持到产生响应信号，它们的优先级是是DREQ最高。最高。nHRQ：总线请求。总线请求。8237A输出有效的输出有效的HRQ高高电平，向电平，向CPU申请使用系统总线。申请使用系统总线。nHLDA：总线响应。总线响应。8237A接受来自接受来自CPU的响的响应信号应信号HLDA，取得了总线的控制权。，取得了总线的

12、控制权。nDACK0DACK3：DMA通道响应。通道响应。8237A使使请求服务的通道产生相应的请求服务的通道产生相应的DMA响应信号。响应信号。A0-A3：4根低地址线，双向三态。根低地址线，双向三态。被动态时输入，被动态时输入，CPU对对8237进行初始化时访问芯片内部寄存器与计数器，进行初始化时访问芯片内部寄存器与计数器，4位位地址说明地址说明8237片内片内16个端口。个端口。主动态时输出主动态时输出，作为，作为20位存储器地址的最低位存储器地址的最低4位。位。AA7：4根地址线，单向。根地址线，单向。8237主态时输出，访问存主态时输出，访问存储器地址。储器地址。DB0DB7：双向三

13、态双功能线。：双向三态双功能线。 被动态被动态：数据线，：数据线，CPU对对8237进行初始化，或传送状进行初始化，或传送状态。态。 主动态主动态：为地址线，作为访问存储器的地址的高：为地址线，作为访问存储器的地址的高8位地位地址，同时也作数据线；在址，同时也作数据线；在MM传送时，传送时，DB0DB7作作暂存数据端。暂存数据端。ADSTB：地址选通，输出。：地址选通，输出。16位地址的高位地址的高8位锁存器的输位锁存器的输入选通。入选通。 AEN：地址允许，输出。高：地址允许，输出。高8位地址锁存器输出允许信号。位地址锁存器输出允许信号。nMEMR*：存储器读。有效将数据从存储器读出：存储器

14、读。有效将数据从存储器读出nMEMW*：存储器写。有效将数据写入存储器存储器写。有效将数据写入存储器nIOR*/IOW*：I/O读读/写信号，双向。写信号，双向。8237A为为主动主动态时，态时，输出，对输出，对I/O设备进行读设备进行读/写。写。被动态时，被动态时，输入，输入，CPU向向DMAC写命令、初始化或读状态。写命令、初始化或读状态。nREADY：准备好。准备好。DMA传送的传送的S3下降沿检测到为低时，下降沿检测到为低时，插入等待状态插入等待状态Sw，直到，直到READY为高才进入第为高才进入第4个时钟个时钟周期周期S4。nEOP*：过程结束。：过程结束。DMA传送过程结束，输出一

15、个低有传送过程结束，输出一个低有效脉冲。外部输入低脉冲信号，则终结效脉冲。外部输入低脉冲信号，则终结DMA传送。传送。nCS*：片选。低有效时，微处理器与：片选。低有效时，微处理器与8237A通过数据线通过数据线通信，主要完成对通信，主要完成对8237A的编程。的编程。 2. 8237A-5内部寄存器及编程命令内部寄存器及编程命令 8237A-5内部逻辑框图，包括定时和控内部逻辑框图，包括定时和控制逻辑，命令控制逻辑，优先权控制逻制逻辑，命令控制逻辑，优先权控制逻辑，寄存器组，地址数据缓冲器等。辑，寄存器组，地址数据缓冲器等。（）工作方式寄存器，它用于设置（）工作方式寄存器，它用于设置DMA的

16、操作类型，操作方式，地址改变方式，的操作类型，操作方式，地址改变方式，自动预置，以及选择通道。自动预置，以及选择通道。请看请看方式字方式字的格式的格式方式字格式D7 D6D5D4D3 D2D1 D000 询问方式询问方式01 单一方式单一方式10 块方式块方式11 级联模式级联模式0 地址增量（加地址增量（加1）1 地址减量（减地址减量（减1）0 禁止自动预置禁止自动预置1 允许自动预置允许自动预置00DMA校验校验01DMA写写10DMA读读11非法非法 若若D7D61100 通道通道001 通道通道110 通道通道211 通道通道3例：例：PC系列软盘读写操作选择系列软盘读写操作选择DMA

17、通道，单通道，单字节传送，地址增，不用自动预置，其读写校字节传送，地址增，不用自动预置，其读写校验的方式字如下：验的方式字如下：写操作写操作01000110B=46H读操作读操作01001010B=4AH校验操作：校验操作：01000010B=42H（2）基地址寄存器，它是）基地址寄存器，它是16位的寄存器，用于存位的寄存器，用于存DMA传送的内存首址，在初始化时，由传送的内存首址，在初始化时，由CPU先写入低字节，先写入低字节，再写入高字节。传送过程中基地址寄存器的内容不变。再写入高字节。传送过程中基地址寄存器的内容不变。其作用：其作用：在自动预置时，将它的值重新装入到当前地在自动预置时，将

18、它的值重新装入到当前地址寄存器。址寄存器。（）当前地址寄存器，用于存放（）当前地址寄存器，用于存放DMA传送过程中的内传送过程中的内存地址，每次传送后地址自动增或减。存地址，每次传送后地址自动增或减。（）基字节计数器，它是（）基字节计数器，它是16位的寄存器，用于存放位的寄存器，用于存放DMA传送的总字节数，在初始化时由传送的总字节数，在初始化时由CPU先低字节后先低字节后高字节顺序写入，高字节顺序写入，当自动预置时，将它的值重新装入当自动预置时，将它的值重新装入到当前字节计数器。到当前字节计数器。（）当前字节计数器，它是（）当前字节计数器，它是16位的计数器，位的计数器，用于存放用于存放DM

19、A传送过程中没有传送完的字节传送过程中没有传送完的字节数，每次传送之后，字节计数器减，当它的数，每次传送之后，字节计数器减，当它的值由减到值由减到FFFF时，便产生时，便产生EOP，表示，表示字节传送完毕。字节传送完毕。（）屏蔽寄存器，用于禁止或允许通道的（）屏蔽寄存器，用于禁止或允许通道的DMA请求。请求。（）请求寄存器，由软件来启动（）请求寄存器，由软件来启动DMA请求。请求。（）命令寄存器，用于控制（）命令寄存器，用于控制8237A-5操操作作，请看请看命令字命令字的格式的格式命令字格式D7D6D5D4D3D2D1D00 DACK低有效低有效1 DACK高有效高有效0 DREQ高有效高有

20、效1 DREQ低有效低有效0 滞后写滞后写1 扩展写扩展写 若若D310 固定优先权固定优先权1 循环优先权循环优先权0 正常时序正常时序1 压缩时序压缩时序 若若D010 允许允许DMAC工作工作1 禁止禁止DMAC工作工作0 允许通道允许通道0地址改变地址改变1 禁止通道禁止通道0地址改变地址改变 若若D000 禁止存储器之间传送禁止存储器之间传送1 允许存储器之间传送允许存储器之间传送（）状态寄存器，存放（）状态寄存器，存放8237A-5的状态，的状态，提供哪些通道已到终止计数，哪些通道提供哪些通道已到终止计数，哪些通道有有DMA请求等状态信息供请求等状态信息供CPU分析。分析。请看请看

21、状态字状态字的格式的格式状态字格式D7D6D5D4D3D2D1D0通道尚有未处理的通道尚有未处理的请求请求通道无尚有未处理的通道无尚有未处理的请求请求通道尚有未处理的通道尚有未处理的请求请求通道无尚有未处理的通道无尚有未处理的请求请求通道尚有未处理的通道尚有未处理的请求请求通道无尚有未处理的通道无尚有未处理的请求请求通道尚有未处理的通道尚有未处理的请求请求通道通道无无尚有未处理的尚有未处理的请求请求通道已收到终止计数通道已收到终止计数信号信号通道未收到终止计数通道未收到终止计数信号信号通道已收到终止计数通道已收到终止计数信号信号通道未收到终止计数通道未收到终止计数信号信号1通道通道1已收到终止

22、计数信号已收到终止计数信号0通道通道0未收到终止计数信号未收到终止计数信号1通道通道0已收到终止计数信号已收到终止计数信号0通道通道0未收到终止计数信号未收到终止计数信号（10）暂存寄存器，在存储器与存储器传送时暂时保存数据。）暂存寄存器，在存储器与存储器传送时暂时保存数据。（11）软命令）软命令 软命令只要对特定的地址进行一次写操作，命令就生效。软命令只要对特定的地址进行一次写操作，命令就生效。清先清先/后触发器命令。后触发器命令。 在向在向16位地址寄存器和字节数计数器进行写操作时，分两次写入，位地址寄存器和字节数计数器进行写操作时，分两次写入，由它控制写入次序，为由它控制写入次序，为0写

23、入低字节，为写入低字节，为1写入高字节。写入高字节。 MOV AL，0AAH ；AL为任意值为任意值0AAH OUT 0CH，AL；写入先；写入先/后触发器端口使其置后触发器端口使其置0态态总清除命令。它与硬件总清除命令。它与硬件RESET信号作用相同，即执行本软件命令的结果信号作用相同，即执行本软件命令的结果会使：会使：“命令命令”、“状态状态”、“请求请求”、“暂存暂存”寄存器以及寄存器以及“先先/后后触发器触发器”清除，系统进入空闲状态，而屏蔽寄存器置位，屏蔽所有外部清除，系统进入空闲状态，而屏蔽寄存器置位，屏蔽所有外部的的DMA请求。程序段为：请求。程序段为： MOV AL，0BBH；

24、 AL为任意值为任意值0BBH OUT 0DH，AL； 写入总清端口，执行总清命令写入总清端口，执行总清命令3. DMA控制器的时序控制器的时序图5.3 8237-5的DMA传送时序DB0DB7DACKADSTBA0A7 MEMR（IOR）IOW（MEMW）HRQDREQCLKS1S0S0SiSiS3S2S4S3S2SiSiS4HLDAAENA8A15DMA控制器控制器8237-5有两种工作状态，从时间顺序来看，可看成两个操作有两种工作状态，从时间顺序来看，可看成两个操作周期周期，DMA空闲周期空闲周期和和DMA有效周期有效周期，其中还有一个从空闲周期到，其中还有一个从空闲周期到有效周期的有效

25、周期的过渡阶段过渡阶段。(1)DMA空闲周期空闲周期SI 未编程之前，或已编程但还没有未编程之前，或已编程但还没有DMA请求时，进入空闲周期。即请求时，进入空闲周期。即处于被动工作方式。此时，控制器一方面处于被动工作方式。此时，控制器一方面检测检测DREQ，看是否有外设，看是否有外设请求请求DMA服务；另一方面，服务；另一方面，对对CS端进行采样端进行采样，检测是否，检测是否CPU要对它要对它进行初始化或读取信息。当发现进行初始化或读取信息。当发现CS低电平时，且无外设提出低电平时，且无外设提出DMA请请求（求（DREQ为无效），则认为为无效），则认为CPU对对DMAC初始化编程。初始化编程。

26、(2)过渡状态过渡状态S0 8237A初始化完毕后，若检测到初始化完毕后，若检测到DREQ请求有效，则表示有外设请求有效，则表示有外设要求要求DMA传送，此时，传送，此时，DMAC即向即向CPU发出总线请求信号发出总线请求信号HRQ。DMAC发出发出HQR之后，之后，DMAC的时序的时序从从SI状态跳出进入状态跳出进入S0状态，并状态，并重复执行重复执行S0状态，直到收到状态，直到收到CPU的应答信号的应答信号HLDA后，才结束后，才结束S0状态，状态，进入进入S1状态，开始状态，开始DMA周期。可见周期。可见S0是是8237A送出送出HRQ到它收到有到它收到有效的效的HLDA之间的状态周期，

27、是之间的状态周期，是DMA控制器从被动工作方式到主动工控制器从被动工作方式到主动工作方式的过渡阶段作方式的过渡阶段(3)DMA有效周期有效周期 DMA进入有效周期，开始传送数据。一个完整的进入有效周期，开始传送数据。一个完整的DMA传送周期包括传送周期包括S1，S2，S3和和S4个状态。如果存储器或外设的速度跟不上，可在个状态。如果存储器或外设的速度跟不上，可在S3和和S4之间之间插入等待状态周期插入等待状态周期SW。S1:更新高更新高8位地址。位地址。S2:输出输出16位位RAM地址和发地址和发DACK信号寻址信号寻址I/O设备。设备。 在在S2状态周期中，要完成两件事：状态周期中，要完成两

28、件事： 一、一、是输出是输出16位地址到位地址到RAM，其中高，其中高8位地址由数据线位地址由数据线DB0DB7输出，输出，用用ADSTB下降沿锁存，低下降沿锁存，低8位地址由地址线位地址由地址线A0A7输出。输出。 二二、S2状态周期还向申请状态周期还向申请DMA传送的外设发出请求回答信号传送的外设发出请求回答信号DACK，以寻，以寻址址I/O设备，为数据传送作好准备。随后发读写命令。设备，为数据传送作好准备。随后发读写命令。S3:读周期。在此状态，发出MEMR(DMA读)或IOR(DMA写)命令。把从内存或I/O接口读取的8位数据放到数据线DB0DB7上，等待写周期的到来。S4:写周期。发

29、出IOW(DMA读)或MEMW(DMA写)命令。此时，把读周期之后保持在数据线的数据写到RAM或I/O接口，到此，完成了一个字节的DMA传送。由于读周期之后所得数据并不送入DMA控制器内部，而是保持在数据线，所以，写周期一开始，即可快速地从数据线上直接写到RAM或I/O接口，高速DMA真正含义。 若采用提前写（扩展写），则在S3中同时发MEMW(DMA写)或IOW(DMA读)命令，即把写命令提前到与读命令同时从S3开始，或者说，写命令和读命令一样扩展为2个时钟周期。若采用压缩时序，则去掉S3状态，将读命令宽度压缩到写命令的宽度，即读周期和写周期同为S4。因此，在成组连续传送不更新高8位地址的情

30、况下，一次DMA传送可压缩到2个时钟周期，这可获得更高的数据吞吐量。 S4状态开始前，8237A检测就绪（READY）端的输入信号，如果未就绪，即READY信号为低电平，则在S3和S4之间插入等待状态周期SW；如果已就绪，即READY为高电平，则不插入Sw，8237直接进入S4状态周期。4. 5 DMA系统n一、一、IBM-PC微机的微机的DMA系统系统 PC微机的微机的DMA系统配置逻辑结构图如图系统配置逻辑结构图如图4.7所示所示 1.单片的单片的DMAC的的DMA系统系统 系统中只有系统中只有1片片8237-5。支持。支持4个通道个通道DMA传送，其传送，其中中0通道用于动态通道用于动态

31、RAM的民刷新，的民刷新， 1通道保留，通道保留， 2通道通道用于软盘，用于软盘，3通道用于硬盘传送数据。通道用于硬盘传送数据。 2.双片双片DMAC的的 DMAC系统系统 采用采用2片片8237-5，支持，支持7个通道的个通道的DMA传送，片传送，片0的的通道通道2仍为软盘仍为软盘DMA传送用，片传送用，片0的通道的通道0、通道、通道1和通和通道道3未使用，片未使用，片1 的通道的通道4用于和片用于和片0级连，片级连，片1 的的5、6、7通道保留未用。通道保留未用。4. 5 DMA系统n二、二、DMA系统的初始化系统的初始化 1.初始化编程应注意的事项初始化编程应注意的事项 DMA初始化是指

32、初始化是指CPU对对DMA控制器控制器8237-5的初始化，与的初始化，与一般的一般的I/O接口芯片基本相同，但要有几点要注意：接口芯片基本相同，但要有几点要注意： （1）为确保软件编程时不受外界硬件的信号影响，在编程）为确保软件编程时不受外界硬件的信号影响，在编程时要通过命令寄存器发送命令禁止时要通过命令寄存器发送命令禁止8237-5工作或向屏蔽寄存工作或向屏蔽寄存器发送屏蔽命令，将要编程的通道加以屏蔽。器发送屏蔽命令，将要编程的通道加以屏蔽。 （2）所有通道的工作方式寄存器都要加载。）所有通道的工作方式寄存器都要加载。 （3）为提供存储器高位地址，）为提供存储器高位地址，CPU对对8237-5进行初始化编进行初始化编程时，