DMA基础学习一

基本的DMA控制器

1．DMA控制器的基本组成

一个DMA控制器，实际上是采用DMA方式的外围设备与系统总线之间的接口电路，这个接口电路是在中断接口的基础上再加DMA机构组成．习惯上将DMA方式的接口电路称为DMA控制器。下页图示出了一个最简单的DMA控制器组成示意图。

一个最简单的DMA控制器由以下逻辑部件组成： 

(1)内存地址计数器 用于存放内存中要交换的数据的地址。在DMA传送前，须通过程序将数据在内存中的起始位置(首地址)送到内存地址计数器。而当DMA传送时，每交换一次数据，将地址计数器加“1”，从而以增量方式给出内存中要交换的一批数据的地址。 

(2)字计数器 用于记录传送数据块的长度(多少字数)。其内容也是在数据传送之前由程序预置，交换的字数通常以补码形式表示。在DMA传送时，每传送一个字，字计数器就加“1” ，当计数器溢出即最高位产生进位时，表示这批数据传送完毕，于是引起DMA控制器向CPU发中断信号。 

(3)数据缓冲寄存器 用于暂存每次传送的数据(一个字)。当输入时，由设备(如磁盘)送往数据缓冲寄存器，再由缓冲寄存器通过数据总线送到内存。反之，输出时，由内存通过数据总线送到数据缓冲寄存器，然后再送到设备。 

(4)“DMA请求”标志 每当设备准备好一个数据字后给出一个控制信号，使“DMA请求” 标志置“1”。该标志置位后向“控制/状态”逻辑发出DMA请求，后者又向CPU发出总线使用权的请求(HOLD)，CPU响应此请求后发回响应信号HLDA，“控制/状态”逻辑接收此信号后发出DMA响应信号，使“DMA请求”标志复位，为交换下一个字做好准备。 

(5)“控制/状态”逻辑 由控制和时序电路以及状态标志等组成，用于修改内存地址计数器和字计数器，指定传送类型(输入或输出)，并对“DMA请求”信号和CPU响应信号进行协调和同步。 

(6)中断机构 当字计数器溢出时(全0)，意味着一组数据交换完毕，由溢出信号触发中断机构，向CPU提出中断报告。这里的中断与上一节介绍的I/O中断所采用的技术相同，但中断的目的不同，前面是为了数据的输入或输出，而这里是为了报告一组数据传送结束。因此它们是I/O系统中不同的中断事件。

2.DMA数据传送过程 

　　DMA的数据块传送过程可分为三个阶段：传送前预处理；正式传送；传送后处理。 

　　预处理 由CPU执行几条输入输出指令，测试设备状态，向DMA控制器的设备地址寄存器中送入设备号并启动设备，向内存地址计数器中送入起始地址，向字计数器中送入交换的数据字个数。在这些工作完成后，CPU继续执行原来的主程序。   

　　正式传送 当外设准备好发送数据(输入)或接受数据(输出)时，它发出DMA请求，由DMA控制器向CPU发出总线使用权的请求(HOLD)。下页图示出了停止CPU访内方式的DMA传送数据的流程图。

    当外围设备发出DMA请求时，CPU在本机器周期执行结束后响应该请求，并使CPU的总线驱动器处于第二态(高阻状态)．之后，CPU与系统总线相脱离，而DMA控制器接管数据总线与地址总线的控制，并向内存提供地址．

   于是，在内存和外围设备之间进行数据交换．每交换一个字，则地址计数器和字计数器加“l”，当计数值到达零时，DMA操作结束，DMA控制器向CPU提出中断报告 。

• DMA的数据传送是以数据块为基本单位进行的，因此，每次DMA控制器占用总线后，无论是数据输入操作，还是输出操作，都是通过循环来实现的。当进行输入操作时，外围设备的数据(一次一个字或一个字节)传向内存；当进行输出操作时，内存的数据传向外围设备。 

• 　　后处理 一旦DMA的中断请求得到响应，CPU停止主程序的执行，转去执行中断服务程序做一些DMA的结束处理工作。这些工作包括校验送入内存的数据是否正确；决定继续用DMA方式传送下去，还是结束传送；测试在传送过程中是否发生了错误等等。 

• 基本DMA控制器与系统的连接方式：

• （1）公用的DMA请求方式；（2）独立的DMA请求方式，这与中断方式类似。

四、选择型和多路型DMA控制器

   前面介绍的是最简单的DMA控制器，一个控制器只控制一个I／O设备．实际中经常采用的是选择型DMA控制器和多路型DMA控制器，它们已经被做成集成电路片子．

1.选择型DMA控制器

    下页图是选择型DMA控制器的逻辑框图，它在物理上可以连接多个设备，而在逻辑上只允许接—个设备．换句话说，在某一段时间内只能为一个设备服务．

    选择型DMA控制器工作原理与前面的简单DMA控制器基本相同．除了前面讲到的基本逻辑部件外，还有一个设备号寄存器．数据传送是以数据块为单位进行的，在每个数据块传送之前的预置阶段，除了用程序中I/O指令给出数据块的传送个数、起始地址、操作命令外，还要给出所选择的设备号．从预置开始，一直到这个数据块传送结束，DMA控制器只为所选设备服务．下—次预置再根据I/O指令指出的设备号，为另—选择的设备服务．

   显然，选择型DMA控制器相当于一个逻辑开关，根据I/O指令来控制此开关与某个设备连接．

   选择型DMA控制器只增加少量硬件达到了为多个外围设备服务的目的，它特别适合数据传输串很高以至接近内存存取速度的设备．在很快地传送完一个数据块后，控制器又可为其他设备服务．

2.多路型DMA控制器

    选择型DMA控制器不适用于慢速设备．但是多路型DMA控制器却适合于同时为多个慢速外围设备服务．

    下页图(a)是链式多路型DMA控制器，而(b)是独立请求方式多路型 DMA控制器．

    多路型DMA不仅在物理上可以连接多个外围设备，而且在逻辑上也允许这些外围设备同时一工作，各设备以字节交叉方式通过DMA控制器进行数据传送．

   

     

  【例3】下图中假设有磁盘、磁带、打印机三个设备同时工作。磁盘以30μs的间隔向控制器发DMA请求，磁带以45μs的间隔发DMA请求，打印机以150μs间隔发DMA请求。根据传输速率，磁盘优先权最高，磁带次之，打印机最低，图中假设DMA控制器每完成一次DMA传送所需的时间是5μs。若采用多路型DMA控制器，请画出DMA控制器服务三个设备的工作时间图。

    

    由图看出，T1间隔中控制器首先为打印机服务，因为此时只有打印机有请求。T2间隔前沿磁盘、磁带同时有请求，首先为优先权高的磁盘服务，然后为磁带服务，每次服务传送一个字节。在90μs时间阶段中，为打印机服务只有一次(T1)，为磁盘服务四次(T2，T4，T6，T7)，为磁带服务三次(T3，T5，T8)。从图上看到，在这种情况下DMA尚有空闲时间，说明控制器还可以容纳更多设备。

    由于多路型DMA同时要为多个设备服务，因此对应多少个DMA通路(设备)，在控制器内部就有多少组寄存器用于存放各自的传送参数。

    右图是多路型DMA控制器的逻辑结构，通过配合使用I/O通用接口片子，它可以对8个独立的DMA通路(CH)进行控制，使外围设备以周期挪用方式对内存进行存取．

    8条独立的DMA请求线或响应线能在外围设备与DMA控制器之间进行双向通信。一条线上进行双向通信是通过分时和脉冲编码技术实现的。也可以分别设立DMA请求线和响应线实现双向通信。每条DMA线在优先权结构中具有固定位置，一般DMA0线具有最高优先权，DMA7线具有最低优先权。

     

     控制器中有8个8位的控制传送长度的寄存器，8个16位的地址寄存器。每个长度寄存器和地 址寄存器对应一个设备。每个寄存器都可以用程序中的I/O指令从CPU送入控制数据。每一寄 存器组各有一个计数器，用于修改内存地址和传送长度。 

    当某个外围设备请求DMA服务时，操作过程如下： 

(1)DMA控制器接到设备发出的DMA请求时，将请求转送到CPU。 

(2)CPU在适当的时刻响应DMA请求。若CPU不需要占用总线则继续执行指令；若CPU需要占用 总线，则CPU进入等待状态。 

(3)DMA控制器接到CPU的响应信号后，进行以下工作：

    ①对现有DMA请求中优先权最高的请求 给予DMA响应；

    ②选择相应的地址寄存器的内容驱动地址总线；

    ③根据所选设备操作寄存器 的内容，向总线发读、写信号；

    ④外围设备向数据总线传送数据，或从数据总线接收数据；

    ⑤每个字节传送完毕后，DMA控制器使相应的地址寄存器和长度寄存器加“1”或减“1”。 

     以上是一个DMA请求的过程，在一批数据传送过程中，要多次重复上述过程，直到外围设备表示一个数据块已传送完毕，或该设备的长度控制器判定传送长度已满。 

【例4】教材图8.18所示为微型机中软盘控制器的系统接口电路，请进行分析说明。

【解】

     CPU和软盘控制器之间的接口电路包括DMA控制和总线控制两部分。8257DMA控制器提供4个独立的DMA通路(CH0，CH1，CH2，CH3)。每个通路各有2个16位寄存器(DMA地址寄存器、字节计数寄存器)，它们必须在通路使用前加以预置。DMA地址寄存器存放被寻址的主存首地址，字节计数寄存器存放本次DMA传送的字节数。此外还包含工作方式(读、写、校验 )和状态寄存器。

   DMA传输前，CPU对8257进行初始化，将数据在主存中的起始地址、数据字节个数、工作方式等参数送入8257相应的寄存器中。然后才允许软盘控制器向8257发出DMA传输请求信号DRQ。8257接收到DRQ信号后，立即发HRQ信号给总数控制线路，请求总线控制权。CPU在识别到HRQ信号，完成当前总线周期后，发出HLDA响应信号，并放弃总线控制权。此时8257向软盘控制器发出DACK回答信号，通知软盘控制器开始DMA传输，并发出读/写控制信号(MEMR/MEMW、IOR/IOW)，以便软盘控制器从主存被寻址的单元读取一个字节或写入一个字节。 只要软盘控制器保持对DMA的请求，8257将保持对总线的控制，并顺序地重复传送，直到被指定的数据块传送完毕，此时8257给出终止信号(TC)，通知软盘控制器，取消DMA请求，并使HRQ为无效，放弃总线控制权。