微机原理与系统老师讲义ch

1、中国科学技术大学电子工程与信息科学系2内容12-1 DMA传送概述12-2 8237A的组成与工作原理一、8237A的内部结构三、8237A的工作时序二、8237A的引脚功能四、8237A内部寄存器12-3 8237A的编程与应用举例中国科学技术大学电子工程与信息科学系312-1 DMA传送概述DMA：Direct Memory Access。DMAC：用来实现DMA传送的DMA器，在DMA期间系统总线。DMAC不是处理器，也是一种可编程接口芯片，需要CPU对其进行初始化编程设置。在DMA期间，DMAC无需CPU的干预， 器与I/O接口之间的数据传送。DMAC和CPU是以分时方式共享系统总线。

2、中国科学技术大学电子工程与信息科学系4CPUDMACAL/AX暂存RDBDBDBBUSBUS(a)(b)(c)DMA方式下内存与外设间数据传送通路DMA方式下内存与内存间数据传送通路程控或中断方式下的数据传送通路内存内存外设内存外设内存DMAC中国科学技术大学电子工程与信息科学系DMA系统的逻辑结构5地址总线DMA请求总线请求DMA响应总线响应总线数据总线HRQDREQDMACHLDADACKI / O设备HOLD HLDACPU中国科学技术大学电子工程与信息科学系DMAC是如何获得总线几种可行的方式6权的？ 请求/应答方式，在DMA期间CPU放弃总线，CPU与系统总线之间处于高阻状态； 暂停

3、CPU的时钟脉冲，使CPU暂时“休克”； 利用CPU不 总线的间隔；中国科学技术大学电子工程与信息科学系DMA传送的两种类型DMA “reads” refer to transfers from7memory to an I/O device and involves theuse of MRDC and IOWC.DMA “writes” refer to transfers from anI/O device to memory and involves the useof MWTC and IORC.The data transfer reties determined by thesp

4、eed of memory or the DMA controller中国科学技术大学电子工程与信息科学系3种DMA传送方式之（1）字节传送（单次传送）8r 特点：每完成一次传送，无论任务是否结束，DMAC都主动放弃总线。如果任务没有完成，DMAC继续申请总线使用权。 NDMA请求？YN块结束否？Y放弃总线中断请求DMA放弃总线DMAC完成一次传送CPU响应DMA放弃BUSDMAC发BUS请求DMA中国科学技术大学电子工程与信息科学系3种DMA传送方式之（2）数据块传送（成组传送）9Np 特点：获得总线使用权之后，DMAC控制总线进行连续传送，直到传送任务全部完成；如果在传送期间遇到了外部输入

5、的EOP信号，传送任务被强行终止。DMA请求？YNN块结束否？EOP？YY放弃总线中断请求DMAC完成一次传送CPU 响应DMA放弃 BUSDMAC发BUS请求DMA中国科学技术大学电子工程与信息科学系3种DMA传送方式之（3）询问传送（请求传送）10p 特点：与成组传送的区别：在传送期间，若DMA请求信号无效，DMC暂时放弃总线，重新申请。当再次获得总线使用权之后，从断点处继续传送， DMA请求信号作用类似于PAUSE。NDMA请求？YYDMA请求有效？NNN块结束否？EOP？YY放弃总线中断请求DMAC完成一次传送CPU 响应DMA放弃 BUSDMA放弃总线DMAC发BUS请求DMA中国科

6、学技术大学电子工程与信息科学系11内容12-1 DMA传送概述12-2 8237A的组成与工作原理一、8237A的内部结构三、8237A的工作时序二、8237A的引脚功能四、8237A内部寄存器12-3 8237A的编程与应用举例中国科学技术大学电子工程与信息科学系1212-2 8237A的组成与工作原理一、8237A的内部结构和特点8237A有四个通道，每个通道都可地进或行初始化，每个通道的DMA请求都可以被。四个通道共用的寄存器有：寄存器，状态寄存器，寄存器，请求标志寄存器及暂存寄存器。各寄存器均为8位。的16位地址寄存器，16位每个通道各自拥有字节计数器和6位模式寄存器。中国科学技术大学

7、电子工程与信息科学系每个通道内部的地址和字节寄存器又分为“ 和“当前” （current）两类，其中：13” （base）基地址寄存器：存放DMA传送的内存起始地址。当前地址寄存器：在传送过程不断变化。 基字数寄存器：存放DMA传送的总次数。当前字节数寄存器：每传送一次减1。“”和“当前”端口地址相同，但是“”只能写入（写到“当前”），而“当前”只能读出。入内容同时被地址寄存器只有16位，DMAC在DMA传送期间仅能够 提供16位内存地址；字节寄存器只有16位，可以连续传送的最大次数为64K次（若每次传送一个字节，则一次可传送的最大数据块为64KB）。“字节”改为“次数”更为准确，因为DMA传

8、送每次可能不止一个字节。中国科学技术大学电子工程与信息科学系每个通道的优先级不同，既可以是固定优先级， 也可以是循环优先级。但DMA不能嵌套。提供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传送方式；其中级 联方式没有级数限制。时钟频率05MHz，时钟为5MHz时传送速率最 高为1.6M次/s。每传送一次，地址指针可以1或者1，由初始 化编程设置。支持：内存到内存（MÅÆM）传送、软件DMA 请求、外部输入EOP中止信号、14中国科学技术大学电子工程与信息科学系15P411中国科学技术大学电子工程与信息科学系16DMA器在系统中的两种工作状态1）主动态（

9、主态、Active cycle）在DMAC获得总线权之后，DMAC取代CPU而成为系统的主控者，接管和系统总线（数据总线、地址总线和总线）。通过总线向存储器或I/O设备发出地址、读/写信号，以两个实体之间的传送。在2）态（从态、Idle cycle）在DMAC获得总线权之前，DMAC受CPU控制。此时，CPU可对DMAC进行初始化编程，也可从DMAC中读出状态。当DMAC上电或复位时，DMAC自动处于从态。中国科学技术大学电子工程与信息科学系二、8237A的引脚功能（r DB7-DB0：双向数据总线。P412414），DB7-DB0作为数据从态时接受处理器的编程线，传输数据或命令字。主态时在S

10、1周期输出地址A15-A8；在MÅÆM传送时，在内存和8237A内部的暂存器之间传送数据。r A3-A0：地址线，从态时为输入，寻址8237A内部寄存器；主态时输出最低4位地址。r A7-A4：地址线，主态时输出A7-A4。中国科学技术大学电子工程与信息科学系CS：片选，从态时用于处理器寻址8237A。IOR，IOW：I/O读写，双向。8237A在从态时为输入，在主态时为输出。AEN：地址使能，输出。进入主态时高电平有效，用于使能8237A输出的地址锁存器，关闭其它主处理器与系统总线之间的通道ADSTB：输出，地址锁存，与CPU的ALE作用相同，主态时，用于地址锁存。MEM

11、R，MEMW：输出，主态时对器进行读写。中国科学技术大学电子工程与信息科学系READY：准备就绪，输入。与CPU的READY作用相同，主态时总线周期的长度RESET：输入，复位信号。复位后全部置1，其它寄存器全部清0。寄存器EOP：双向。输出时，表明内部通道传送结束；输入时，表明外部强迫DMA传送停止。DREQ0-DREQ3：I/O设备DMA请求输入信号。DACK0-DACK3：输出DMA请求的响应。HRQ：8237A向处理器发出的总线请求信号。HLDA：处理器发给8237A的总线请求响应信号。中国科学技术大学电子工程与信息科学系20三、8237A的工作时序8237A DMAC有7种状态周期：

12、SI，S0，S1，S2，S3，S4及SWSISIS0S0S1S2S3S4慢速IOSWSWHLDADREQDACK态请求应答态主动状态数据传输状态内部状态流程图空闲状态单字节块传送中国科学技术大学电子工程与信息科学系21（1）空闲周期SI从态，无DMA请求阶段。空闲周期但实际并不空 闲，DMAC不停地检测和采样以下两个信号：DRQi，确定是否有通道请求DMA服务CS，判定CPU是否要对（2）过渡状态S0若检测到DRQ请求，DMAC即向CPU发出总线请 求信号HRQ，随即DMAC从SI状态迁移到S0状 态，并重复执行，直到收到（来自CPU或总线仲 裁电路的）HLDA信号进入S1状态，DMAC由从态

13、进入主态。进行读写。中国科学技术大学电子工程与信息科学系22（3）DMA有效周期（ S1 S4）当应答信号HLDA到达后，DMAC进入有效周 期，开始传送数据。一个完整的传送周期包括S1，S2，S3和S4四个周期，如果I/O速度跟不上，可在S3和S4之间待周期SW。等S1：标志获得系统总线权；把地址送上总线S2：发出DACK选中设备、ReadS3：发Write（延后写） S4：收尾中国科学技术大学电子工程与信息科学系23SiSiS0S0S1S2S3S4S2S3S4SiSiCLKDREQHRQ HLDAAENADSTBA15A8D7D0A7A0有效地址有效地址DACKxxRDxxWT8237A-

14、5的DMA时序P423扩展写信号中国科学技术大学电子工程与信息科学系24关于时序的几点讨论扩展写和正常写回顾：8288总线等待周期SW器输出的“超前写”在S3后半段检测READY线，若为低电平则数据块传送SW。S1-S2-S3-S4-S2-S3-S4-S2- 思考：为何少了S1？压缩时序S1-S2-S4-S2-S4-S2-S4-MÅÆM传送，传送一个字节需要8个S周期S11-S12-S13-S14-S21-S22-S23-S24-思考：怎样优化？中国科学技术大学电子工程与信息科学系25四、8237A的内部寄存器共用寄存器命令寄存器； 状态寄存器 请求寄存器；寄存器寄存器方式

15、寄存器； 字节寄存器； 地址寄存器。中国科学技术大学电子工程与信息科学系26内部寄存器（P414表12-1）中国科学技术大学电子工程与信息科学系271)当前地址寄存器16位，每通道一个。由于8237A的数据总线接口只有8位，16位寄存器内容只能分两次读写。CPU按“先低后高”的顺序，连续两个字节。8237A内部有1个先后（F/L）触发器，当F/L0时， 读写的是低8位，读写后F/LÆ1，再读写时是高8位， 读写后F/LÆ0（乒乓式）。先后触发器可以用软件命令清零，保证16位寄存器的读写是从低8位开始。每传送1次，地址自动+1或-1（修改指针）重装初始值的条件设置了“自动预置

16、方式”，在出现EOP信号之后。中国科学技术大学电子工程与信息科学系282)当前字计数寄存器又称为当前字节计数寄存器，存放的内容实际上是“还有多少次传送任务”有待完成。16位，每通道一个；CPU按“先低后高”的顺序，连续两个字节。每完成1次传送，内容减1。实际传送次数比内容大1，当0再减1为0FFFFH后，全部任务结束，输出EOP（TC，TerminalCount）信号。重装初始值的条件设置了“自动预置方式”，在出现EOP信号之后。中国科学技术大学电子工程与信息科学系293)基地址和基字计数寄存器（只写）16位，每通道各一个。在传送过程中，其内容保 持不变。只写，不可读事实上，每个通道的“”与对

17、应的“当前”寄存器的端”寄存器时，写入的内容同时到对应的“当前”寄存器。CPU按“先低后高”的顺序，连续写入两个字节。在“自动预置方式”下的作用出现EOP信号后，自动将“前”寄存器。”寄存器的内容到“当中国科学技术大学电子工程与信息科学系304)命令寄存器共用的寄存器，8位，8237的操作解释DACK有效电平MEMÅÆMEM传输DREQ有效电平Channel0 地址保持不变扩展写8237A 工作优先级类型时序类型0普通时序1压缩时序XD0=1固定优先级0循环优先级10Enable 8237A1Disable 8237A不扩展写0扩展写1D3=1X0Disable1Enabl

18、eXD0=0高电平有效0低电平有效101低电平有效0高电平有效1D7D6D5D4D3D2D1D0中国科学技术大学电子工程与信息科学系315)模式（工作方式）寄存器每通道1个，6位，确定每通道各自的工作方式模式选择通道选择传输类型选择地址增量选择说明自动预置功能选择01地址加10地址减1100校验传输01DMA写10DMA读11XXD7 D6=1100选 0# Channel01选 1# Channel10选 2# Channel11选 3# Channel方式00单字节传输模式01数据块模式10级联传输模式11D7D6D5D4D3D2D1D0中国科学技术大学电子工程与信息科学系326)请求寄存

19、器q 4个通道共用，共4位，每个通道1位。q 硬件引脚信号有效将导致对应位置“1”，启动DMAC。也可 以通过软件写入方式将某位置1，启动对应通道的DMA传送。MÅÆM传送只能使用软件请求。q MÅÆIO传送时，只有成组传送才能使用软件请求q 对请求寄存器进行设置令字格式如下：不用清除DMA请求位0建立DMA请求位1每次只能选择一个通道建立或清除请求位。Why？00选择通道001选择通道110选择通道211选择通道3D7D6D5D4D3D2D1D0。 Why？中国科学技术大学电子工程与信息科学系337)寄存器4个通道共用，4位，每个通道1位，用来通道的D

20、MA请求。或某个对寄存器进行操作令字（字）格式有两种，对应的端口不一样。格式1（单通道格式，写入端口地址A3A00AH）：通道选择不用单通道（通道字）格式清除 MASK 位0建立 MASK 位100Channel 001Channel 110Channel 211Channel 3D7D6D5D4D3D2D1D0中国科学技术大学电子工程与信息科学系34格式2（端口地址A3A00FH，可同时设置4个通道）：不用主字格式请对比格式1和格式2在功能上的差别清 Channel 3 M 位0设 Channel 3 M 位1清 Channel 2 M 位0设 Channel 2 M 位10清 Channe

21、l 0 Mask 位1设 Channel 0 Mask 位0清 Channel 1 Mask 位1设 Channel 1 Mask 位D7D6D5D4D3D2D1D0中国科学技术大学电子工程与信息科学系358)状态寄存器4个通道共用，8位，存放DMAC的工作状态。复位或读状态寄存器之后，状态位全部被清除。1：通道 3计数结束通道 0 有DMA请求11：通道 2计数结束通道 1 有DMA请求11：通道 1计数结束通道 2有DMA请求11： 通道 0计数结束通道 3 有DMA请求1D7D6D5D4D3D2D1D0中国科学技术大学电子工程与信息科学系369)暂时寄存器用于MÅÆM

22、传送时存放中间结果，最后一次传送的内容可以在从态时读出。10)软件命令共三条，仅与写入端口有关，与写入内容无关：0CH：清除先后触发器F/L，使装入顺序为先低后高。0DH：总清命令（软件复位），复位后为1，其它寄存器为0。寄存器均0EH：清除所有的位。中国科学技术大学电子工程与信息科学系37内部寄存器端口地址分配表（P422表12-2）端口地址寄存器16进制读写00通道0当前地址寄存器通道0基地址与当前地址寄存器01通道0当前字计数寄存器通道0基字计数与当前字计数寄存器02通道1当前地址寄存器通道1基地址与当前地址寄存器03通道1当前字计数寄存器通道1基字计数与当前字计数寄存器04通道2当前地

23、址寄存器通道2基地址与当前地址寄存器05通道2当前字计数寄存器通道2基字计数与当前字计数寄存器06通道3当前地址寄存器通道3基地址与当前地址寄存器07通道3当前字计数寄存器通道3基字计数与当前字计数寄存器08状态寄存器命令寄存器09请求寄存器0A寄存器（通道字）0B工作方式寄存器0C清除先后触发器0D暂存寄存器主清命令字（软件复位命令字）0E寄存器（清除软件命令）0F寄存器（主字）中国科学技术大学电子工程与信息科学系38内容12-1 DMA传送概述12-2 8237A的组成与工作原理一、8237A的内部结构三、 8237A的工作时序二、8237A的引脚功能四、8237A内部寄存器12-3 82

24、37A的编程与应用举例中国科学技术大学电子工程与信息科学系39一、8237A的初始化编程8237A的初始化编程可分为以下8个步骤(1)写入寄存器（若已经复位，无需再次）(2) 命令字写入到命令寄存器(3) 方式字写入到方式寄存器(4)先/后触发器清0(5)写入基地址寄存器和基字计数寄存器步骤2 步骤6 的顺序没有限定(6)写页面寄存器（设置地址，解决寻址空间问题）(7)清除（未用或初始化的通道仍应）(8)写入请求寄存器 （如果采用软件请求方式）中国科学技术大学电子工程与信息科学系40二、DMAC 8237A的应用1、内存地址的产生利用页面寄存器对内存进行分页管理页面寄存器存放DMA期间所需的内

25、存高端地址例如：PC/XT共有20位地址，8237A DMAC只能提高16 位地址，最高4位地址A19A16需要页面寄存器提供。而PC/XT使用了1片8237A，总共有4个DMA通道，因此页 面寄存器为4（bit）×4（通道）。在初始化DAMC的同时，必须设置页面寄存器的内容。DMA响应期间利用DACK信号寻址页面寄存器的单元。中国科学技术大学电子工程与信息科学系41DACK 3选择页寄存器DACK 2选择页寄存器DACK1选择页寄存器DACK0页寄存器8237DMAC选择A19A16DMA 存贮器地址思考：PC/AT共有24位地址，共使用2片8237A级有7个DMA通道，页面寄存器

26、的大小至少为多少？共A19A 16A15A 0中国科学技术大学电子工程与信息科学系422、PC/XT中的DMA电路PC/XT使用了一片8237A，共4个DMA通道，其中通道0用于DRAM刷新，其余通道功能见P425。由于DRAM刷新是按行进行，PC/XT的内存总共分为128行，只需要7位行地址，因此通道0不需要页面寄存器提供地址。PC/XT中的页面寄存器为74LS670。这是个4单元×4bit的静态RAM，其特性见下页。PC/XT机只需要使用页面寄存器三个规定DACK信号低有效。由于DMA不单元，并且嵌套（任何时候最多只有一个DACK信号为低电平），PC/XT机“巧妙”地利用2条DA

27、CK信号寻址页面寄存器。中国科学技术大学电子工程与信息科学系43DO0DO3DACK2 DACK3“推理”00不可能出现01通道210通道311通道1WAWB 74LSRB 670RAREAD WRITEDI0DI374LS670单元特性以及在PC/XT机中的应用WR WB WA功 能000写入0寄存器0写入1寄存器010写入2寄存器011写入3寄存器RD RB RA功 能000读出0寄存器0读出1寄存器010读出2寄存器011读出3寄存器0101中国科学技术大学电子工程与信息科学系44PC/XT中的总线仲裁电路由4个D触发器级联而成。DMA应答条件：与门的4个输入都为高（回顾：对应的是CPU

28、什么状态周期？P54图2.26）目的：确保总线使用权在切换时出现方法：通过将8288总线器的AEN变高，CPU侧的系统总线，但是CPU仅认为是入了等待（P47）AENBRD 接8288 AENHLDA“自保”连接DMAAENLOCKS1S0HOLDDMAWAIT(去8284 AEN1）AENBRD接8288的CENCLK_T系统总线切换D3CLKQD1 QCLKD4 QCLKSD2 QCLKR Q中国科学技术大学电子工程与信息科学系45回顾1：最大模式时序（以读操作为例）T3以后进入无源状态ÅT1ÆÅT2ÆÅT3 / Tw Æ

29、97; T4ÆCLK-S2-S0ALEREADYAD15AD0*DT/-R*-IORC或*-MRDC由8288产生*-DEN中国科学技术大学电子工程与信息科学系46回顾2：8288在PC/XT机中的连接AEN由低变为高电，8288输出的7条总线命令信号立即S0ALES0地址锁存信号数据传输方向数据总线S1 S2DT/R DENS1S28288进入三态，输出的4条总线信号立即AIOWC AMWC IORC超前写I/O超前写读I/O写I/O器呈无效电平。由高变为低电，8288延时几十ns后才恢复工作。AEN CENAENBRDAENBRDIOWCCLK IOBMWTC MRDCCLK写读

30、器器INTA中断响应中国科学技术大学电子工程与信息科学系47回顾3：8284内部逻辑结构图RESRESET时钟震荡器X1X2OSC1/3F/C1/2PCLKEFICSYNC RDY1AEN1CLKCFF1RDY2DQREADYAEN2 ASYNCCFF2DQDQC中国科学技术大学电子工程与信息科学系48总线切换进入DMA的时序注：S与T周期相同，但S是方波，并 且较T晚了37ns，上升沿晚了20ns。SISIS0S0S0S1S2S3S4S2S3S4SIT4TIT2T3T4T1T2T3TWTWTWTWTWCLK DREQHRQ无源态S2 S1 S0LOCKD1 Q HLDAAENBRDDMAAE

31、NDMAWAIT通过8284使CPU等待传送结束，等待中国科学技术大学电子工程与信息科学系49XA0 XA7A 74LS0244EEAA04A7A3A7AENBRDXA9 XA8XACSWA74LSWB670DACK7XA6XAIntel 8237 A2RBRA READDACK3A165A19DMAAENCLKWRITED0D3DREQ0HLDA双向驱动读写控制EDRXMEMWDREQ374LS245XIORHRQ74LSXIOWG373XMEMRRESETAADSTBD0 D78OED0来自总线仲裁ÆADMAAEN15XD0 XD7D7P247图6-11 ÆWRTDMA

32、PGXA1XA1GG2A Y0G2B CB 74LSA 138高电表示CPU总 线，DMAC处于从态中国科学技术大学电子工程与信息科学系50PC/XT I/O端口地址译码及片选信号产生电路AENA9 A8Y0DMACSG1G2AY1INTRCSG2B74LS138CY2T/C CSY3PPICSWRTDMAPG写DMA页面寄存器Y4A7A6Y5WRTNMIREGBA写NMI寄存器Y6A5Y7IOW中国科学技术大学电子工程与信息科学系513、8237A的级联8237A可以多片级联，扩展DMA通道数8237A级联时，下一级8237A（从片）的HOLD和HLDA引脚分别与上一级（主片）8237A某个

33、通道的DREQi和DACKi相连。主片连接从片的DMA通道在初始化时，应将工作方 式寄存器的D7D6设置为11（即将该通道定义为“级联 通道”）。道的DREQi有效并使主片进入主态当来片级以后，主片上除了HOLD、HLDA、DREQi和DACKi 被用来传递从片的HOLD和HLDA信号以外，其余引脚均输出（处于无效电平或三态高阻），以避免与从片在DMA期间的输出信号发生。中国科学技术大学电子工程与信息科学系523片8237A三层级联示意图DREQ0 DACK0DREQ1 DACK1DREQ2 DACK2DREQ3 DACK38237A（II）对于8237A（I）是从片，但是对于8237A（III）是主片HOLDHLDADREQ0 DACK0DREQ1 DACK1DREQ2 DACK2HOLDHOLDHLDA去往CPU或总 线仲裁电路DREQ1 DACK1DREQ2 DACK2DREQ3 DACK3HLDADREQ0 DACK08237A DMAC（II）8237A DMAC（I）DREQ3 DACK38237A DMAC（III）中国科学技术大学电子工程与信息科学系53DMAC编程举例1（P428）：某一系统使用1片8237A作为DMAC，基地址为00H。要求利用通道0从外设读1024字节数据块到内存以6000H开