微型计算机原理第11章 DMA技术及DMA控制器

1、11.1 DMA技术概述技术概述 11.2 可编程可编程DMA控制器控制器8237A 11.3 DMA技术在微机系统中的应用技术在微机系统中的应用 第11章 DMA技术与DMA控制器 11.1 DMA11.1 DMA技术概述技术概述 1. DMA 1. DMA 传送方式的实现方法：传送方式的实现方法：由专用接口芯片由专用接口芯片DMADMA控制器控制器 ( (简称简称DMAC) DMAC) 控制传送过程；控制传送过程；由外设接口向由外设接口向DMACDMAC发发DMADMA请求；请求；DMACDMAC向向CPUCPU发出总线请求；发出总线请求；CPUCPU发出总线响应信号，释放总线；发出总线响

2、应信号，释放总线；DMACDMAC接管总线，并向外设接口发出接管总线，并向外设接口发出DMADMA响应信号；响应信号；DMACDMAC控制外设、内存之间进行直接数据传送；控制外设、内存之间进行直接数据传送；DMACDMAC撤消总线请求；撤消总线请求；CPUCPU撤消总线响应，并重新接管总线。撤消总线响应，并重新接管总线。第11章 DMA技术与DMA控制器 2. DMA 2. DMA传送方式的特点传送方式的特点 外设和内存之间，直接进行数据传送，不通过CPU, 传送效率高。适用于在内存与高速外设、内存两个区域之间，或两个高速外设之间进行大批量数据传送。 电路结构复杂，硬件开销较大。第11章 DM

3、A技术与DMA控制器 DMA 传送过程示意图传送过程示意图总线总线总线总线响应响应总线总线请求请求DMA请求请求DREQDMA响应响应DACKCPUDMAC内内 存存外外 设设接 口第11章 DMA技术与DMA控制器 接收接口发出的接收接口发出的DMADMA请求信号，向请求信号，向CPUCPU发出总线请求信发出总线请求信号号HOLD(HOLD(高电平高电平) )。 11.1.1 DMAC的基本功能的基本功能 第11章 DMA技术与DMA控制器 DMADMA过程结束，向过程结束，向CPUCPU发出发出DMADMA结束信号，结束信号，HOLDHOLD变低变低, ,将总线控制权还给将总线控制权还给C

4、PUCPU，使，使CPUCPU恢复正常工作。恢复正常工作。决定传送字节数，并判断决定传送字节数，并判断DMADMA传送是否结束。传送是否结束。向存储器或向存储器或I/OI/O接口发相应的读写控制信号。接口发相应的读写控制信号。向地址总线发出内存地址信息，对其进行寻址及修改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。地址指针。 接收接收CPUCPU发出的响应信号发出的响应信号HLDA(HLDA(高电平高电平) ) ，接管对总线，接管对总线的控制，的控制，进入进入DMADMA传送方式。传送方式。11.1.2 DMAC的一般结构的一般结构 图图9.1 单通道单通道DMAC的一般结构及其与

5、的一般结构及其与I/O接口的连接接口的连接1. 单字节传输方式单字节传输方式 ：DMA控制器每次请求总线只传送一个控制器每次请求总线只传送一个字节数据，传送完后即释放总线控制权。字节数据，传送完后即释放总线控制权。2. 块传输方式（也称组传输方式）块传输方式（也称组传输方式）：DMA控制器每次请求控制器每次请求总线连续传送一个数据块，待整个数据块全部传送完成总线连续传送一个数据块，待整个数据块全部传送完成后再释放总线控制权。后再释放总线控制权。3. 请求传输方式：请求传输方式：每传完一个字节，每传完一个字节，DMA控制器都要检测控制器都要检测由由I/O接口发来的接口发来的DMA请求信号是否仍然

6、有效，如果该信请求信号是否仍然有效，如果该信号仍有效，则继续进行号仍有效，则继续进行DMA传输；否则，就暂停传输，传输；否则，就暂停传输，交还总线控制权给交还总线控制权给CPU，直至，直至DMA请求信号再次变为有请求信号再次变为有效，数据块传输则从刚才暂停的那一点继续进行下去。效，数据块传输则从刚才暂停的那一点继续进行下去。11.1.3 DMAC11.1.3 DMAC的工作方式的工作方式 第11章 DMA技术与DMA控制器 若从外设往内存若从外设往内存输入输入一个数据块，一个数据块，单字节传输方式单字节传输方式的工作过程为：的工作过程为： I/OI/O接口向接口向DMACDMAC发送发送DMA

7、DMA请求信号；请求信号； DMACDMAC向向CPUCPU发总线请求信号，当得到发总线请求信号，当得到CPUCPU送来的总线允许信号后，送来的总线允许信号后，DMACDMAC获得总线控制权；获得总线控制权； DMACDMAC将其地址寄存器的内容送到地址总线上；将其地址寄存器的内容送到地址总线上； DMACDMAC往往I/OI/O接口发送接口发送DMADMA响应信号；响应信号； DMACDMAC发出端口读信号和存储器写信号，使数据传送到由地址总线的发出端口读信号和存储器写信号，使数据传送到由地址总线的地址所指向的内存单元；地址所指向的内存单元； 地址寄存器加地址寄存器加1 1； 字节计数器减字

8、节计数器减1 1； 如果字节计数寄存器的值不为零，则返回第步，否则进入步；如果字节计数寄存器的值不为零，则返回第步，否则进入步； DMACDMAC释放总线。释放总线。11.1.4 DMA11.1.4 DMA操作过程操作过程 （以输入数据为例以输入数据为例） 第11章 DMA技术与DMA控制器 DMADMA控制器控制器数据数据端口端口状态状态/ /控制控制端口端口地址寄存器地址寄存器计数器计数器控制控制/ /状态状态寄存器寄存器C CP PU U存存储储器器HOLDHOLDHLDAHLDA数据缓冲数据缓冲寄存器寄存器DMADMA请求请求触发器触发器输入设备输入设备DMADMA请求请求DMADMA

9、响应响应ReadyReadyDMADMA控制器工作原理图控制器工作原理图第11章 DMA技术与DMA控制器 11.2 11.2 可编程可编程DMADMA控制器控制器8237A8237A 11.2.1 8237A的主要特性的主要特性 1具有四个独立的具有四个独立的DMA通道，每个通道都有通道，每个通道都有64K的存贮器寻址能力，即的存贮器寻址能力，即一次传送的最大长度为一次传送的最大长度为64K字节。字节。2可实现内存与外设之间的高速大批量数据传送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，也可实现内存两个不同区域之间的高速数据传送。不同区域之间的高速数据传送。3每个通道的每个

10、通道的DMA请求均可分别允许或禁止，且四个通道的请求均可分别允许或禁止，且四个通道的DMA请求请求的优先权可由软件设置为固定的或旋转的。的优先权可由软件设置为固定的或旋转的。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。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可用级联方式扩展可用级联方式扩展DMA通道数目。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。传送结束信号可由内部计数产生，也可由外部输入提供。7单一的单一的+5V电源，电源，40个引脚双列直插式封装。个引脚双列直插式封装。8采用采用5MHz时钟，传送速率可达时钟，传送速率可达1

11、.6M字节字节/秒。秒。第11章 DMA技术与DMA控制器 11.2.2 8237A的工作原理的工作原理 18237A的编程结构的编程结构 图图11.3 8237 A的编程结构的编程结构82C37A内部逻辑框图内部逻辑框图表表11.1 8237A内部寄存器的功能、端口地址等信息内部寄存器的功能、端口地址等信息 几点说明：几点说明：请求触发器请求触发器每通道一位，四个通道的请求触发器占用同一个端口地址，每通道一位，四个通道的请求触发器占用同一个端口地址，实际上构成一个实际上构成一个4位的寄存器，屏蔽触发器也是一样。位的寄存器，屏蔽触发器也是一样。控制寄存器和状态寄存器控制寄存器和状态寄存器共用一

12、个端口地址，一个为只读，一个为只共用一个端口地址，一个为只读，一个为只写。写。 写屏蔽字时有两种方式：某一通道的屏蔽字，应写到写屏蔽字时有两种方式：某一通道的屏蔽字，应写到1010端口；四端口；四个通道屏蔽字，则写入个通道屏蔽字，则写入1111端口。端口。各通道的各通道的基地址寄存器和当前地址寄存器基地址寄存器和当前地址寄存器的端口地址低四位是：的端口地址低四位是： 0000对应对应0通道；通道；0010对应对应1通道；通道； 0100对应对应2通道；通道；0110对应对应3通道。通道。各通道的各通道的基字节数寄存器和当前字节计数器基字节数寄存器和当前字节计数器的端口地址低四位是：的端口地址低

13、四位是： 0001对应对应0通道；通道； 0011对应对应1通道；通道； 0101对应对应2通道；通道； 0111对应对应3通道。通道。8237A内有一个内有一个先先/后触发器后触发器，占，占1位，当其为位，当其为0时对时对16位寄存器的低位寄存器的低8位位进行读进行读/写操作，当其为写操作，当其为1时，对高时，对高8位进行读位进行读/写操作，且每读或写一次，写操作，且每读或写一次，先先/后触发器的状态就自动翻转一次。后触发器的状态就自动翻转一次。 8237A复位后，先复位后，先/后触发器为后触发器为0。8237A除可用除可用RESET信号进行复位外，还可以用主清除命令进行软件控信号进行复位外

14、，还可以用主清除命令进行软件控制的复位。软件复位是通过对制的复位。软件复位是通过对1101端口进行写操作实现的。端口进行写操作实现的。 28237A的总线模式的总线模式 主模式（主动态）主模式（主动态）：在：在DMA操作其间，操作其间，8237A就处于就处于主模式，这时它管理系统总线，发出地址和有关控制主模式，这时它管理系统总线，发出地址和有关控制信号使数据在内存和外设端口之间或内存两个不同区信号使数据在内存和外设端口之间或内存两个不同区域之间传递。域之间传递。 从模式（被动态）从模式（被动态）：所谓从模式是指在没有进行：所谓从模式是指在没有进行DMA操作时，操作时，8237A象其他接口芯片一

15、样，可被象其他接口芯片一样，可被CPU访问。即向其有关内部寄存器写入工作方式控制字，访问。即向其有关内部寄存器写入工作方式控制字，传送地址及字节数等，也可读取其状态信息。传送地址及字节数等，也可读取其状态信息。第11章 DMA技术与DMA控制器 38237A外部引脚外部引脚 图图11.4 8237A引脚配置引脚配置11.2.3 8237A的编程 1命令字与状态字命令字与状态字 模式寄存器模式寄存器 图图11.5 8237A11.5 8237A的模式字格式的模式字格式 第11章 DMA技术与DMA控制器 图图11.6 8237A的命令字格式的命令字格式 命令寄存器是四个通道公用的一个命令寄存器是

16、四个通道公用的一个8位寄存器，用以控制整个位寄存器，用以控制整个8237A的操作。即一片的操作。即一片8237A只有一个命令寄存器，其内容对四只有一个命令寄存器，其内容对四个通道都有效。个通道都有效。第11章 DMA技术与DMA控制器 命令寄存器命令寄存器 请求寄存器请求寄存器 8237A8237A的每个通道工作在块传送方式时也可以响应由软件发出的的每个通道工作在块传送方式时也可以响应由软件发出的DMADMA请求。请求。软件的软件的DMADMA请求是通过使相应通道的请求是通过使相应通道的“请求位请求位”置位来实现的。置位来实现的。8237A8237A每一个通道有一位每一个通道有一位“请求位请求

17、位”，四个通道的请求位构成一个，四个通道的请求位构成一个4 4位的位的请求寄存器。请求寄存器。第11章 DMA技术与DMA控制器 图图11.8 8237A11.8 8237A的请求寄存器的命令字格式的请求寄存器的命令字格式 屏蔽寄存器屏蔽寄存器 8237A8237A每个通道有一位每个通道有一位“屏蔽位屏蔽位”，当其通道的，当其通道的“屏屏蔽位蔽位”置置1 1时，则外部对应的时，则外部对应的DREQDREQ信号被屏蔽，不予信号被屏蔽，不予响应，从而禁止了该通道的响应，从而禁止了该通道的DMADMA操作。操作。四个通道的四个通道的“屏蔽位屏蔽位”构成一个构成一个4 4位的屏蔽寄存器。位的屏蔽寄存器

18、。有两种屏蔽命令字格式，有两种屏蔽命令字格式， 单独对某一个通道的屏蔽位进行置位或复位，如图单独对某一个通道的屏蔽位进行置位或复位，如图11.911.9（a a）所示；）所示； 另一种是可以同时设定四个通道的屏蔽位，也称综另一种是可以同时设定四个通道的屏蔽位，也称综合屏蔽命令字，如图合屏蔽命令字，如图11.9(b)11.9(b)所示。所示。 第11章 DMA技术与DMA控制器 图图11.9 8237A屏蔽字的两种格式屏蔽字的两种格式 状态寄存器 8237A有一个可由CPU读取的状态寄存器图图11.10 8237A11.10 8237A的状态寄存器格式的状态寄存器格式 第11章 DMA技术与DM

19、A控制器 28237A编程步骤编程步骤输出主清除命令，使输出主清除命令，使8237A进入初始状态；进入初始状态；将将DMA传送的存贮器起始地址写入基地址和寄存器；传送的存贮器起始地址写入基地址和寄存器；将要传送的字节数写入基字节寄存器和当前字节计数器；将要传送的字节数写入基字节寄存器和当前字节计数器；写模式寄存器，规定写模式寄存器，规定8237A的工作方式等；的工作方式等；写命令寄存器，规定各通道优先级及写命令寄存器，规定各通道优先级及DREQ、DACK的有的有效电平等；效电平等；写屏蔽寄存器，规定开放和屏蔽的通道；写屏蔽寄存器，规定开放和屏蔽的通道；写请求寄存器，发写请求寄存器，发DMA请求

20、命令。请求命令。 第11章 DMA技术与DMA控制器 38237A的编程举例的编程举例 例：例： 设某设某8088系统使用一片系统使用一片8237A，现欲将内，现欲将内存地址为存地址为8000H开始的开始的100个字节数据以个字节数据以DMA方式输出到某外设，已知方式输出到某外设，已知8237A的端口地址为的端口地址为20H2FH，并规定，并规定8237A通道通道1工作在方式工作在方式2，硬件启动。试编写初始化程序段。硬件启动。试编写初始化程序段。 第11章 DMA技术与DMA控制器 8237A的编程的编程 解：根据已知条件和要求，初始化程序段为：解：根据已知条件和要求，初始化程序段为：OUT

21、 2DH，AL ；发主清除命令；发主清除命令MOV AL，89H ；选通道；选通道1，读传送，禁止自，读传送，禁止自 动预置，方式动预置，方式2，地址递，地址递增增OUT 2BH，ALMOV AL，80H ；写命令字：普通时序，存储器；写命令字：普通时序，存储器 到外设传送，固定优先级到外设传送，固定优先级OUT 28H，AL ；正常写，；正常写，DREQ、DACK高电平高电平 有效有效MOV AL，00H ；写基地址和当前地址寄存器；写基地址和当前地址寄存器第11章 DMA技术与DMA控制器 OUT 22H，ALMOV AL，80HOUT 22H，ALMOV AL，64H ；写基字节寄存器和

22、；写基字节寄存器和 当前字节计数器当前字节计数器OUT 23H，ALMOV AL，0OUT 23H，ALMOV AL，00H ；清除所有通道屏蔽；清除所有通道屏蔽OUT 2FH，AL 第11章 DMA技术与DMA控制器 DMA传送方式传送方式 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传送类型传送类型 DMA读 DMA写 DMA检验 存储器到存储器的传送存储器到存储器的传送11.2.4 8237A的工作方式 第11章 DMA技术与DMA控制器 方式方式0 请求传送方式请求传送方式 DREQ信号有效就连续传送数据；信号有效就连续传送数据； DREQ信号无效，信号无效，DMA传送

23、被暂时中止，传送被暂时中止，8237A释放总释放总线，线，CPU可继续操作；可继续操作； DMA通道的地址和字节数的中间值仍被保持；通道的地址和字节数的中间值仍被保持； DREQ信号再次有效，信号再次有效，DMA传送就继续进行；传送就继续进行； 如果字节数寄存器减到如果字节数寄存器减到0，或者由外部送来一个有效的信，或者由外部送来一个有效的信号，将终止计数。号，将终止计数。 特点：特点：DMA操作可由外设利用操作可由外设利用DREQ信号控制传送的过程。信号控制传送的过程。第11章 DMA技术与DMA控制器 方式方式1单字节传送方式单字节传送方式 每次每次DMA传送时仅传送一个字节；传送时仅传送

24、一个字节； 传送一个字节之后，字节数寄存器减传送一个字节之后，字节数寄存器减1，地址寄存器加，地址寄存器加1或减或减1，HRQ变为无效；变为无效； 8237A释放系统总线，将控制权还给释放系统总线，将控制权还给CPU。 特点：特点：一次传送一个字节，效率略低；一次传送一个字节，效率略低；DMA传送之间传送之间CPU有机会重新获取总线控制权。有机会重新获取总线控制权。11.2.4 8237A的工作方式 第11章 DMA技术与DMA控制器 方式方式2 块传送方式块传送方式 由由DREQ启动就连续地传送数据，直到字节数寄存器减启动就连续地传送数据，直到字节数寄存器减到到0终止计数，或由外部输入有效信

25、号终结终止计数，或由外部输入有效信号终结DMA传送；传送； DREQ只需维持有效到只需维持有效到DACK有效。有效。 特点：特点：一次请求传送一个数据块，效率高；一次请求传送一个数据块，效率高；整个整个DMA传送期间传送期间CPU长时间无法控制总线（无法响长时间无法控制总线（无法响应其他应其他DMA请求、无法处理中断等）。请求、无法处理中断等）。第11章 DMA技术与DMA控制器 第11章 DMA技术与DMA控制器 方式方式3 级联方式级联方式用于通过多个用于通过多个8237A级连以扩展通道；级连以扩展通道；第二级的第二级的HRQ和和HLDA信号连到第一级某个通道的信号连到第一级某个通道的DREQ和和DACK上；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；第一