搜索
1第8章DMA控制器2一、输入输出控制方式•CPU对I/O控制方式，就微机系统而言有四种基本方式–程序查询方式：CPU通过查询I/O设备的状态，断定哪个设备需要服务，然后转入相应的服务程序。–程序中断方式：当I/O设备需要CPU为其服务时，可以发生中断请求信号INTR，CPU接到请求信号后，中断正在执行的程序，转去为该设备服务，服务完毕，返回原来被中断的程序并继续执行。–直接存储器存取（DMA）方式：采用这种方式时，在DMA控制器的管理下，I/O设备和存储器直接交换信息，而不需要CPU介入。–I/O处理机方式：引入I/O处理机，全部的输入/输出操作由I/O处理机独立地承担。•前两种主要由程序来实现，后两种主要由附加硬件来实现，微机中多数采用前三种。31程序查询方式•程序查询方式中，CPU对I/O设备的控制全部由程序来实现，所有的输入输出操作都处于正在被执行的程序的控制下，I/O设备完全处于被动地位。–无条件传送方式–查询传送方式•所谓查询，就是询问外部设备的工作状态，通过这一状态来判定外设是否已具备了与CPU交换数据的条件，即外设是否已准备好与CPU交换数据。–对输入设备而言，这个状态指示输入设备的数据是否已经准备就绪，CPU是否可以随时来读取这个数据。–对输出设备而言，这个状态指示输出设备的数据接收寄存器是否已空，是否可以随时接受CPU送来的数据。42程序中断方式•无条件传送方式和查询传送方式的缺点是CPU和外设只能串行工作，各外设之间也只能串行工作。•为了使CPU和外设以及外设和外设之间能并行工作，提高系统的工作效率，充分发挥CPU高速运算的能力，在微机系统中引入了中断技术，利用中断来实现CPU与外设之间的数据传送，这就是程序中断传送方式。•在程序中断传送方式中，通常是在主程序中某一时刻安排启动某一台外设的指令，然后CPU继续执行其主程序，当外设完成数据传送的准备后，向CPU发出“中断请求”信号，在CPU可以响应中断的条件下，中断（即暂停）现行主程序的执行，而转去执行“中断服务程序”，在“中断服务程序”中完成一次CPU与外设之间的数据传送，传送完成后仍返回被中断的断点处继续执行主程序。53DMA方式•DMA传送方式的提出•与程序查询方式相比，利用中断方式进行数据传送可以大大提高CPU的工作效率。•中断方式局限性，传输效率仍然不是很高–仍然通过CPU执行程序来实现数据传送的–每次传送触发中断服务程序，保护和恢复断点、中断程序调用–按字节或字来进行传输，不能实现按块传输•如果I/O设备的数据传输率较高，那么CPU和这样的外部设备进行数据传输时，即使尽量压缩程序查询方式和中断方式中的非数据传输时间，也仍然不能满足要求。•为了解决上述问题，实现按数据块传输，就需要改变传输方式，为此，提出了在外设和内存之间直接传送数据的方式，这就是直接存储器传输方式，即DMA方式。6DMA控制器的功能•（1）当外设准备就绪，希望进行DMA操作时，会向DMA控制器发出DMA请求信号，DMA控制器接到此信号后，应能向CPU发总线请求信号。•（2）CPU接到总线请求信号后，如果允许，则会发出DMA响应信号，从而CPU放弃对总线的控制，这时DMA控制器应能实行对总线的控制。•（3）DMA控制器得到总线控制权以后，要往地址总线发送地址信号，修改所用的存储器的地址指针。•（4）在DMA传送期间，DMA控制器应能发存储器或接口的读/写控制信号。•（5）能统计传送的字节数，并且判断DMA传送是否结束。•（6）能向CPU发出DMA结束信号，将总线控制权交还给CPU。7DMA传送的一般工作过程84I/O处理机方式•I/O处理机–为了提高整个系统的工作效率，使CPU完全摆脱管理、控制输入/输出的沉重负担。–如Intel8089就是一种专门配合8086/8088使用的I/O处理器芯片。•I/O处理机功能–有自己的指令系统，也能独立地执行程序，能承担原来由CPU处理的全部输入/输出操作。•如对外设进行控制、对输入/输出过程进行管理，并能完成字与字之间的装配和拆卸、码制的转换、数据块的错误检测和纠错，以及格式变换等操作。–同时它还可以向CPU报告外设和外设控制器的状态，对状态进行分析，并对输入/输出系统出现的各种情况进行处理。–I/O处理机同CPU程序并行执行。9二、DMA控制器8237A•主要的功能有：1．在一片8237A内有4个独立的DMA通道。2．每个通道的DMA请求可分别编程允许或禁止。3．每个通道的DMA请求有不同的中断优先级（即DMA操作优先权），优先级有两种：固定优先级和循环优先级，由编程决定。固定优先级的顺序是通道0最高，依次是通道1，通道2和通道3。4．可在外设与存储器，存储器与存储器之间传送数据，存储器地址寄存器可以加1或减1。5．可由软件编程改变DMA读写周期长度。6．有四种工作方式：单字节传送方式，数据块传送方式，请求传送方式，级连方式。7．可以多片级连，扩展通道数。8．DMA操作结束有两种方法：一是字节计数器减1由0变为FFFFH，二是外界通过输入负脉冲，强制DMA操作结束。9．DMA操作启动有两种方法：一是外设输入DMA请求信号DREQ，二是通过软件编程从内部启动。108237A的内部结构及引脚功能11128237A内部端口地址分配138237A芯片内部共有12种寄存器•1）基地址寄存器16位×4•2）基字节数计数器16位×4•3）当前地址寄存器16位×4•4）当前字节数计数器16位×4•5）方式字寄存器6位×4•6）暂存地址寄存器16位×1•7）暂存字节数计数器16位×1•8）状态寄存器8位×1•9）命令寄存器8位×1•10）暂存寄存器8位×1•11）屏蔽寄存器4位×1•12）请求寄存器4位×1148237A的工作方式•从DMA操作过程的角度，DMA控制器8237A的几种工作方式:–主从模态–传送方式–传送类型–优先级编码–自动初始化方式–存储器到存储器的传送等。151．主从模态•DMA控制器既可以作为I/O端口接受CPU的读写操作，也可以代替CPU占有总线，控制外设与存储器之间传送数据，它充分体现了DMA控制器的两大特性，即总线的主控性和总线的从属性。•按这两大特性，它也就有两种工作模态：–主态方式–从态方式16（1）主态方式•在主态方式时，DMA控制器是总线的控制者，它如同CPU一样，掌握总线的控制权，可对涉及的外设端口或存储器单元进行读写操作。•在DMA操作时，DMA控制器成为系统的控制核心，为完成DMA操作，它应提供存储器地址，指定外设，发出读写控制信号。–地址总线：存储器地址–DACK信号：外设选通–IOR、IOW、MEMR、MEMW•DMA操作在外设和存储器之间建立了直接数据通道，数据传送时不需要经过DMA控制器，加快了数据传送速度，减少了中间环节，这也是DMA方式能高速传送的原因之一。17（2）从态方式•在从态方式时，CPU是总线的控制者，而DMA控制器不过是普通的一个外部设备，有若干个端口而已，它的地位同一般的I/O接口芯片是一样的。•DMA控制器在开始工作之前，要由CPU写入初始化控制字，建立DMA控制器工作的基本条件：–如传送方式、传送类型、地址增加还是减少、是否设置自动初始化方式等–CPU还要写入一些数据，以确定DMA方式传送的具体内容，如存储区地址、传送字节数等•在这些操作中，DMA控制器以被规定的端口地址接收数据。另外，在DMA传送后，CPU也往往读取DMA控制器的状态。在这两种情况下，DMA控制器是系统的从属设备。182．传送方式•8237A通过编程，可选择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–级联传送方式19（1）单字节传送方式•单字节传送方式时，一次只传送一个字节，然后释放总线。若又有外设DMA请求，8237A再向CPU发下一次总线请求HRQ，获得总线控制权后，再传送下一个字节数据。•在这种传送方式中应注意以下几方面：–1）在DACK有效之前，DREQ应保持有效。–2）即使DREQ在传送过程中一直保持有效，在总线响应后HRQ也将变成无效，并在传送一个字节后DMA控制器释放总线，但由于DREQ一直有效，HRQ很快再次变成有效，在芯片接受到新的HLDA后，下一个字节又开始传输。–3）每次传送后，当前字节数计数器减1，当前地址寄存器减1或加1，当当前字节数计数器减1由0变成FFFFH时，发出有效信号（产生终止计数TC信号），如果通道编程设为自动初始化方式，则自动地重新装入计数值和地址寄存器。20（2）数据块传送方式•数据块传送方式时，响应一次DMA请求，将完成设定的字节数的全部传送。当字节数计数器减l由0变为FFFFH时，产生TC有效信号，使8237A将总线控制权交还给CPU从而结束DMA操作方式，外部有效的信号也可以终结DMA传送。•在DACK变成有效之前，DREQ信号必须保持有效。一旦DACK有效，不管DREQ如何，8237A一直不放弃总线控制权。即便是在传送过程中，DREQ变为无效，8237A也不会释放总线，只是暂停数据的传送，等到通道请求信号再次有效后，8237A又继续进行数据传送，直到整块数据全部传完，才会退出DMA操作，将总线控制权交还CPU。21（3）请求传送方式•请求传送方式又称查询方式，类似数据块传送，但每传送一个字节后，检测DREQ状态，若无效则停止，若有效则继续DMA传送。在下述情况之一发生时，将停止传送：–1）DREQ变为无效。–2）字节数计数器减1由0变为FFFFH，产生TC信号。–3）外界输入有效信号。•当DREQ无效时，8237A停止传送，内部的当前地址寄存器和当前字节数计数器还保留当时的数值，一旦外设准备好要传送的新数据，可以再次使DREQ变为有效，就可以使传送继续下去。当DREQ无效时，8237A停止传送，此时释放总线，当DREQ重新有效时，将重新开始一次DMA请求过程。22（4）级连方式•这种方式允许连接一个以上的芯片来扩展DMA通道的个数。•连接方法–将扩展的DMA芯片的HRQ和HLDA分别连到主片的某个通道的DREQ和DACK•当主片接到扩展芯片的DMA请求并响应后，它仅发出DACK应答，其它的地址信号与控制信号一律禁止，由扩展芯片控制DMA传送。这种情况下，主片的连接通道只起两个作用：–一是优先级连接的作用，即将从片的4个DMA通道纳入到主片的优先级管理机制–二是向CPU输出HRQ和传递HLDA。233．传送类型•DMA可以对每个通道的方式字寄存器进行设置，采用DMA读、DMA写、DMA校验等三种不同的传送类型。•（1）DMA读–8237A输出有效的MEMR和IOW信号，把存储器的数据读到I/O设备。•（2）DMA写–8237A输出有效的MEMW和IOR信号，把I/O设备的数据写到存储器。•（3）DMA校验–伪传输，校验8237A芯片内部的读写功能。–8237A芯片的操作如同DMA读和DMA写一样，产生地址信号以及对EOP响应等，但对存储器和I/O设备的控制线（MEMR、MEMW、IOW、IOR）均处于无效状态，禁止实际传送。–DMA校验传输功能是器件测试时才使用的，一般的使用者对这项功能并不感兴趣。244．优先级编码•8237A芯片可设定为两种优先级编码：–固定优先级–循环优先级•固定优先级–4个通道的优先级顺序是固定的，DREQ0最高，DREQ3最低。•循环优先级–4个通道的优先级顺序是可变的，当某一个通道申请DMA请求并被响应服务后，它就被指定为最低优先级，它的下一级就成为最高优先级。•无论在任何情况下，DMA请求禁止嵌套服务。当一个通道的DMA请求被响应并服务后，其它3个通道的DMA请求将都被禁止，无论它们的优先级是高还是低。优先权排队只在DMA响应之前有效，DMA响应之后则无效。255．自动初始化方式•通过对方式字寄存器的编程，可设置某个通道为自动初始化方式。•自动初始化方式–当该通道完成一个数据传送并产生信号时（可能是由内部的TC产生，也可能是外部产生）•当前地址寄存器=基地址寄存器•当前字节数计数器=基字节数计数器–当前地址