微机原理与接口技术：DMA传输详细笔记

文章目录

1.DMA传输原理
- 1.1.DMA控制器
- 1.2.DMA传输过程
- 1.3.8086系统中的DMA信号
2.8237A的内部结构和外部信号
- 2.1.8237A芯片的主要特点
- 2.2.8237A的工作方式
- - 2.2.1.单字节传输方式
  - 2.2.2.块传输方式
  - 2.2.3.请求传输方式
  - 2.2.4.级联传输方式
- 2.3.8237A的传输类型
- 2.4.8237A的内部结构
- - 2.4.1.DMA通道
  - 2.4.2.读写逻辑
  - 2.4.3.控制逻辑
  - 2.4.4.锁存缓冲器（外接）
  - 2.4.5.页面地址寄存器（外接）
- 2.5.8237A的对外连接信号
- - 2.5.1.8237A作为从模块时的引脚信号
  - 2.5.2.8237A作为主模块时的引脚信号

直接存储器传送DMA定义：外部设备的数据不经过CPU，直接送入内存储器或内存储器不经过CPU直接送往外部设备。

DMA周期：

一次DMA传送的时间称为DMA周期
DMA过程完全由硬件实现，因此速度很快，时间上大致相当于一个总线读写周期，因此能够满足高速外部设备数据传输的需要。

1.DMA传输原理

1.1.DMA控制器

DMA控制器的定义：用来协调外部设备接口和内存储器的数据传输的专门器件，简称为DMAC。

DMAC内部的寄存器：

地址寄存器：存放DMA传输时存放I/O数据的内存存储单元地址。
字节计数器：存放DMA传输的字节数。
控制寄存器：存放由CPU设定的DMA传输方式和控制命令。
状态寄存器：存放DMAC当前的状态，包括有无DMA请求和是否结束等。

DMAC的功能分类：

总线从模块：CPU对DMAC进行预置操作，也就是向DMAC写入内存传送区的首地址、传送字节数和控制字时，DMAC相当于一个外设接口，称为总线从模块。
总线主模块：进行DMA传输时，CPU暂停对系统总线的控制，DMAC获得了对总线的控制权，这时的DMAC称为总线主模块。

1.2.DMA传输过程

外部设备准备就绪，需要进行DMA操作时，向DMA控制器发出DMA请求信号。DMA控制器受到这个信号后，向CPU发出总线请求信号。
CPU接到总线请求信号后，如果允许，会在当前总线周期结束后，发出总线应答信号，同时放弃对总线的控制。这时，DMA控制器开始实行对总线的控制。
DMAC将内部地址寄存器的内容通过地址总线送往内存储器。对于数据输入过程，向外部设备发出外部设备读控制信号，同时向存储器发出存储器写信号。在这两个信号的作用下，一字节的数据从外设接口送往数据总线，而存储器的数据总线接受这个数据，写入由地址总线上的地址指定的内存单元。对于数据输出过程恰好相反。DMAC向存储器发出读命令，向外部设备发出写命令，一字节的数据从存储器传送到外部设备接口，完成一次输出的操作。
传送一个字节之后，DMAC自动对地址寄存器的内容进行修改，指向下一个要传送的字节。同时，将字节计数器减一，记录尚未完成的传输次数。
一次数据传输结束，DMA控制器向CPU撤销总线请求信号，CPU于是也撤销允许使用总线的总线应答信号，CPU收回对总线的控制权。

1.3.8086系统中的DMA信号

最小模式：CPU通过HOLD引脚接收DMA控制器的总线请求；在HLDA引脚上发出对总线请求的允许信号。
最大模式：通过RQ/GT0和RQ/GT1引脚接收DMA控制器的总线请求并在同一根线上发送对总线请求的允许信号。其中前者有更高的优先权。

2.8237A的内部结构和外部信号

8237A概述：

Intel公司生产的一种40引脚双列直插式大规模集成电路。
是一个可编程DMA控制器，可以提供四个通道的DMA传输控制。

2.1.8237A芯片的主要特点

有4个完成独立的DMA通道，可分别进行编程，控制4台独立的外部设备。可以通过级联的方式进一步扩展DMA通道数。
每个通道的DMA请求均可分别允许和禁止，并对各个通道进行优先级排队。
数据块最大为64KB，每传送一个字节后使地址自动加1或减1。
DMA请求可以由外部输入，也可以由软件设置。
可以进行从存储器到存储器的数据传输，用于对存储区域初始化。

2.2.8237A的工作方式

8237A共有四种工作方式可供选择。

2.2.1.单字节传输方式

工作特点：每完成一个字节的数据传输就会释放系统总线，一次DMA传输过程结束。收到一个新的DMA请求则重新申请总线并重复上述过程。
方式评价：这种方式不会对系统的运行产生大的影响。

2.2.2.块传输方式

工作特点：DMA控制器获得总线控制权后，可以连续进入多个DMA周期，进行多个字节的传输（最多64KB）。当传输完成或收到外部的强制停止命令才会释放总线而结束传输。
方式评价：这种方式会获得最高的数据传输速度，但是在数据传输期间CPU不能访问总线，因此如果传输的数据较多，这种方式会对系统工作产生一定的影响。

2.2.3.请求传输方式

工作特点：申请一次总线可以连续进行多个数据的传输，但是每传输一个字节的数据都需要检查信号确定是否可以继续传输，如果信号无效则需要暂停传输，等到信号变为有效时继续传输。
方式评价：这种方式允许外部设备由于发生某种原因的数据不连续，按照外部设备的最高速度进行数据传输，使用比较灵活。

2.2.4.级联传输方式

结构组成：将几个8237A进行级联，其中一个作为主片，其余作为从片，构成主从式DMA系统。一个主片最多连接四个从片。
工作方式：从片收到外部设备接口的DMA请求信号后，不是向CPU申请总线，而是向DMA控制器主片申请，再由主片向CPU申请。

2.3.8237A的传输类型

8237A可以进行四种类型的传输：

DMA写传输（I/O→存储器）
DMA读传输（存储器→I/O）
DMA检验（完成某种校验过程，测试DMA控制器的状态，不进行数据传送）
存储器到存储器的传输

2.4.8237A的内部结构

8237A的内部结构分为两部分：4个DMA通道和一个公共控制部分。其中公共控制部分由读写逻辑和控制逻辑组成。

2.4.1.DMA通道

每个通道的寄存器：16位地址寄存器、16位字节计数器、8位方式寄存器、1位DMA请求触发器、1位屏蔽触发器。
共用的寄存器：4个通道共用一个控制寄存器和一个状态寄存器。
使用要求：在使用DMA通道工作之前，必须对相应的寄存器进行初始化设置。
地址寄存器：由基地址寄存器和当前地址寄存器组成。CPU编程时，将本通道DMA传输的地址初值写入基地址寄存器，再由8237A传送到当前地址寄存器。当前地址寄存器中的内容在每个字节的DMA传输后都会被修改。CPU可以通过两次输入指令读出当前地址寄存器中的内容（每一次读8位），但是基地址寄存器中的值不能被读出且一直保持初值。
字节计数器：由基本字节计数器和当前字节计数器组成。编程时由指令把DMA传输的字节数写入基本字节计数器，继而传送到当前字节计数器。每一次DMA传输后当前字节计数器的值都会被修改。同样，只有当前计数器的值才能由CPU通过两次输入指令读出。

2.4.2.读写逻辑

作为从模块时的读写逻辑：读写逻辑电路接收CPU的读（#IOR）写（#IOW）以及由地址译码电路产生的#CS信号，对地址总线低四位A3-A0进行译码。在#IOW有效时，把数据总线的内容写入所寻址的寄存器；在#IOR有效时，把被选择的寄存器的内容送到数据总线上。
作为主模块时的读写逻辑：如果是DMA写周期，读写逻辑产生#IOR，控制逻辑产生存储器写信号，数据从外部设备接口传送到存储器单元；如果是DMA读周期，读写逻辑产生#IOW，控制逻辑产生存储器读信号，数据从存储器单元传送到外部设备接口。

2.4.3.控制逻辑

初始化时，CPU通过对方式寄存器的设置，确定控制逻辑的操作方式。
DMA周期内，控制逻辑通过发出控制信号和16位要存取的存储单元地址来控制DMA过程。

2.4.4.锁存缓冲器（外接）

使用8237A工作时，需要外接一个8位的地址锁存缓冲器。
DMA传送之前，8237A从DB7-DB0把存储器地址的A15-A8写入这个缓冲器。
DMA周期中，8237A通过引脚A7-A0发送存储器地址的低8位，同时将锁存器中的地址通过三态门送往系统地址总线的A15-A8。

2.4.5.页面地址寄存器（外接）

8237A只控制了地址总线的16位，为了控制8086系统20位的地址，需要外接一个4位的页面地址寄存器，它的值由CPU写入。
8237A发送低16位地址时，高4位的地址从页面地址寄存器发往地址总线A19-A16。

2.5.8237A的对外连接信号

2.5.1.8237A作为从模块时的引脚信号

RESET：复位输入端。复位时，屏蔽寄存器被置一，其他寄存器均清零。
#CS：片选输入端。由A15-A4译码得到。信号有效时CPU可以对8237A进行读写操作。
A3-A0：最低的四位地址线。DMAC作为从模块时作为输入端，用来选择DMAC内部的16个端口。
#IOR：外部设备读信号。DMAC作为从模块时作为输入控制信号，信号有效时CPU读取DMAC中内部寄存器的值。
#IOW：外部设备写信号。DMAC作为从模块时为输入控制信号，信号有效时CPU向DMAC的内部寄存器写入信息进行预置。
DB7-DB0：8位双向三态数据线。DMAC作为从模块时，CPU通过数据线对8237A进行读写。

2.5.2.8237A作为主模块时的引脚信号

地址信号：

A3-A0：DMAC作为主模块时，这四个信号处于输出状态，提供存储器的最低四位地址。
A7-A4：这4位地址线引脚始终处于输出状态或浮空状态。它们在DMA传输时提供存储器的中间4位地址。
DB7-DB0：DMAC作为主模块时，DB7-DB0输出当前地址寄存器中的高8位地址，并通过信号ADSTB打入外部锁存器，和A7-A0输出的低8位地址构成16位地址。
ADSTB：地址选通输出信号。信号有效时，将DMAC当前地址寄存器中的高8位地址经过DB7-DB0送到外部锁存器。
AEN：地址允许输出信号。AEN使得地址锁存器中锁存的高8位地址以及页面地址寄存器的4位一起送到地址总线上，与芯片直接输出的8位地址共同构成内存储器的20位地址。AEN信号也保证了地址总线上的信号来自DMA控制器而不是CPU。

对存储器/外部设备接口的读写控制信号：

#IOR：DMAC作为主模块时，#IOR输出外部设备接口的读控制信号。信号有效时，I/O接口部件中的数据被读出送往数据总线。
#IOW：DMAC作为主模块时，#IOW输出外部设备接口的写控制信号。信号有效时，存储器中读出的数据被写入I/O端口中。
READY：准备就绪输入信号。当所用的存储器或I/O接口的速度比较慢，需要延长传输时间时，READY信号无效，8237A就会自动插入等待周期；数据准备就绪时，信号变为高电平，表示可以进行数据传输。
#MEMR：存储器读输出信号。当信号有效时，所选中的存储器单元的内容被读出，发送到数据总线。
#MEMW：存储器写输出信号。当信号有效时，数据总线上的内容被写入选中的存储单元。

DMA联络信号：

DREQ3-DREQ0：通道DMA请求输入信号，每个通道对应一个DREQ信号。外部设备要求进行DMA传输时需要使得DREQ处于有效电平，直到DMAC控制器送来DMA相应信号DACK后，I/O接口才撤除DREQ的有效电平。
DACK3-DACK0：通道DMA应答输出信号。这是DMAC送给I/O接口的回答信号，每个通道对应一个DACK信号。DMAC获得CPU送来的总线允许信号HLDA后，便产生DACK信号送到相应的外部设备接口。该信号相当于I/O接口的地址选择信号。
HRQ：总线请求输出信号。8237A在接收到外设接口发来的DREQ信号后，如果该通道的DMA请求没有被屏蔽，则DMA控制器的HRQ端输出有效电平，向CPU发出总线请求。
HLDA：总线响应输入信号。DMAC向CPU发总线请求信号HRQ后，CPU发回这个总线响应信号。8237A收到该信号后便获得了总线控制权。
#EOP：DMA传输过程结束双向信号。当DMAC任意通道计数结束时会从#EOP输出一个有效电平，作为DMA传输结束信号。可以用这个信号向CPU申请中断，以便及时处理这个事件。另一方面，如果从外部向DMAC发送一个#EOP信号，则DMA传输过程被强制性结束。

其他引脚信号：

CLK：时钟输入端信号。
电源和地：提供8237A工作所需的+5V电源。

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1.DMA传输原理

1.1.DMA控制器

1.2.DMA传输过程

1.3.8086系统中的DMA信号

2.8237A的内部结构和外部信号

2.1.8237A芯片的主要特点

2.2.8237A的工作方式

2.2.1.单字节传输方式

2.2.2.块传输方式

2.2.3.请求传输方式

2.2.4.级联传输方式

2.3.8237A的传输类型

2.4.8237A的内部结构

2.4.1.DMA通道

2.4.2.读写逻辑

2.4.3.控制逻辑

2.4.4.锁存缓冲器（外接）

2.4.5.页面地址寄存器（外接）

2.5.8237A的对外连接信号

2.5.1.8237A作为从模块时的引脚信号

2.5.2.8237A作为主模块时的引脚信号

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2.2.3.请求传输方式

2.2.4.级联传输方式

2.3.8237A的传输类型

2.4.8237A的内部结构

2.4.1.DMA通道

2.4.2.读写逻辑

2.4.3.控制逻辑

2.4.4.锁存缓冲器（外接）

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