第十一章DMA控制器

1、第第11章章 DMA 控制器控制器【内容简介内容简介】 首先介绍可编程首先介绍可编程DMA控制器控制器8237A的基的基 本组成、工作原理与本组成、工作原理与工作方式，然后介绍工作方式，然后介绍8237在数据传送中的应用与编程。在数据传送中的应用与编程。【重点难点重点难点】 重点是重点是DMA8237的基本组成、工作原理、工作方式与编程，难点是各的基本组成、工作原理、工作方式与编程，难点是各功能寄存器的作用与初始化程序设计。功能寄存器的作用与初始化程序设计。第第11章章 DMA 控制器控制器11.1 11.1 概概 述述11.2 11.2 可编程可编程DMADMA控制器控制器8237A8237

2、A11.3 8237A11.3 8237A工作状态与编程使用工作状态与编程使用 DMA是由硬件来实现是由硬件来实现I/O设备与主存之间或者主存内部的数据传设备与主存之间或者主存内部的数据传送，因此称为存储器直接存取方式。可字节传送，也可按数据块传送，送，因此称为存储器直接存取方式。可字节传送，也可按数据块传送，速度快，效率高。速度快，效率高。 DMA的概念和传送过程已在的概念和传送过程已在5.2.4节介绍，这里主要介绍节介绍，这里主要介绍8237A的组成与工作过程。的组成与工作过程。 8237A片内有片内有4个独立的个独立的DMA通道和一组共用的基本控制逻辑电通道和一组共用的基本控制逻辑电路，

3、其组成如路，其组成如图图11.1所示。包括时序与控制逻辑、优先级编码逻辑、所示。包括时序与控制逻辑、优先级编码逻辑、数据数据/地址缓冲器、命令控制电路、状态寄存器、命令寄存器、暂存地址缓冲器、命令控制电路、状态寄存器、命令寄存器、暂存寄存器、暂存地址寄存器、暂存字节计数器、先寄存器、暂存地址寄存器、暂存字节计数器、先/后触发器和屏蔽寄后触发器和屏蔽寄存器等。每个通道又有相应的寄存器。存器等。每个通道又有相应的寄存器。11.1 概概 述述 时 序 与 控 制 逻 辑 R E S E T C S R E A D Y C L K A E N A D S T B IO R IO W E O P M E

4、 M R M E M W 地 址 缓 冲 A3 A0 地 址 缓 冲 A7 A4 地 址 数 据 缓 冲 D7 D0 (A1 5 A8) 优 先 级 编 码 逻 辑 D R E Q0 D R E Q3 D A C K0 D A C K3 H R Q H L D A 状 态 寄 存 器 (8) 命 令 寄 存 器 (8) 暂 存 寄 存 器 (8) 先 /后 触 发 器 主 屏 蔽 寄 存 器 暂 存 地 址 寄 存 器 (16) 暂 存 字 节 计 数 器 (16) 命 令 控 制 逻 辑 方 式 寄 存 器 (8) 基 地 址 寄 存 器 (8) 基 字 节 计 数 器 (16) 当 前 字

5、 节 计 数 器 (16) 当 前 地 址 寄 存 器 (16) 请 求 位 屏 蔽 位 通 道0 通 道1 通 道3 通 道2 图 11.1 D M A 控 制 器 内 部 组 成 返回11.2.211.2 11.2 可编程可编程DMADMA控制器控制器8237A8237A 11.2.1 11.2.1 引脚功能引脚功能 11.2.2 11.2.2 内部结构内部结构11.2.1 引脚功能引脚功能 8237采用双列直插式封装，有采用双列直插式封装，有40个个引脚，如引脚，如图图11.2所示，其作用如下：所示，其作用如下： A3A0：地址线，双向，三态，：地址线，双向，三态，DMA传送时输出地址低

6、传送时输出地址低4位；输入位；输入时，选择时，选择8237A的内部寄存器。的内部寄存器。 A7A4：地址线，输出，三态，：地址线，输出，三态，DMA传送时，输出地址高传送时，输出地址高4位。位。 DB7DB0：数据线，双向，三态，：数据线，双向，三态，数据传送时作为数据传送时作为8位数据线；位数据线；DMA工作时，输出高工作时，输出高8位地址位地址A15-A8，由，由ADSTB信号选通。信号选通。 1 40 2 39 3 38 4 37 5 36 6 35 7 34 8 33 9 8237A 32 10 31 11 30 12 29 13 28 14 27 15 26 16 25 17 24

7、18 23 19 22 20 21 IOR IOW MEMR MEMW NC READY HLDA ADSTB AEN HRQ CS CLK RESET DACK2 DACK3 DREQ3 DREQ2 DREQ1 DREQ0 GND 图 11.2 8237A 引脚 A7 A6 A5 A4 EOP A3 A2 A1 A0 VCC（+5V） DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DACK0 DACK1 DB5 DB6 DB7 IOW：I/O写信号，双向，三态，低电平有效。写信号，双向，三态，低电平有效。 IOR：I/O读信号，双向，三态，低电平有效。读信号，双向，三态，低电平有效。 MEMW：主

8、存写信号，输出，三态，低电平有效。：主存写信号，输出，三态，低电平有效。 MEMR：主存读信号，输出，三态，低电平有效。：主存读信号，输出，三态，低电平有效。 ADSTB：地址选通信号，输出，高电平有效，：地址选通信号，输出，高电平有效，DMA传送时选通传送时选通 DB7DB0输出高输出高8位地址位地址A15A8。 AEN：地址允许信号，输出，高电平有效，：地址允许信号，输出，高电平有效，DMA传送时表示传送时表示16位位地址有效。地址有效。 CS：片选信号，输入，低电平有效。：片选信号，输入，低电平有效。 RESET：高电平有效，复位后，清除命令、状态、请求和暂存寄：高电平有效，复位后，清除

9、命令、状态、请求和暂存寄存器，屏蔽寄存器置存器，屏蔽寄存器置1，禁止，禁止4个通道的个通道的DMA请求。请求。 READY：准备好信号，输入，高电平有效，由：准备好信号，输入，高电平有效，由DAM插入等待周期。插入等待周期。 HRQ：总线请求信号，输出，高电平有效，连接：总线请求信号，输出，高电平有效，连接CPU的的HOLD端。端。 HLDA：总线响应信号，输入，高电平有效，表示：总线响应信号，输入，高电平有效，表示DMA控制器控制器获得总线控制权。获得总线控制权。 DREQ3DREQ0：4个通道的个通道的DMA请求，输入，可编程为高电请求，输入，可编程为高电平或者低电平有效，需维持到平或者低

10、电平有效，需维持到DMA响应。响应。 DACK3DACK0：4个通道的个通道的DMA响应信号，输出，可编程为响应信号，输出，可编程为高电平或者低电平有效，高电平或者低电平有效，DMA控制器获得控制器获得HLDA信号后，产生信号后，产生DACK信号，送信号，送I/O接口或设备。接口或设备。 CLK：时钟信号，输入，用于：时钟信号，输入，用于8237A基准定时。基准定时。 EOP：DMA传送结束信号，双向，低电平有效。输入，强迫传送结束信号，双向，低电平有效。输入，强迫DMA传送结束；输出，表示传送结束；输出，表示DMA传送结束。传送结束。11.2.2 内部结构内部结构 8237A内部组成如内部组

11、成如图图11.1所示，其功能通过内部寄存器来实现。所示，其功能通过内部寄存器来实现。 1. 当前地址寄存器当前地址寄存器 存放存放DMA传送时的传送时的16位存储器地址，具有自增位存储器地址，具有自增1或自减或自减1功能；编功能；编程时，程时，CPU可对其读可对其读/写。若写。若DMA控制器设置成自动预置方式，当每控制器设置成自动预置方式，当每次字节计数为次字节计数为0或或EOP出现低电平时，基地址寄存器中的初值自动装出现低电平时，基地址寄存器中的初值自动装入当前地址寄存器。入当前地址寄存器。 2. 基地址寄存器基地址寄存器 与当前地址寄存器共用端口地址，存放与当前地址寄存器共用端口地址，存放

12、DMA传送时的地址初值；传送时的地址初值；在编程时，与当前地址寄存器被同时写入。在编程时，与当前地址寄存器被同时写入。 3. 当前字节计数器当前字节计数器 存放当前的字节数，每个通道有一个存放当前的字节数，每个通道有一个16位的当前字节计数器，可位的当前字节计数器，可按字节减按字节减1计数，当计数值由计数，当计数值由0减至减至0FFFFH时，产生传送结束信号时，产生传送结束信号EOP。若。若DMA设置成自动预置方式，当设置成自动预置方式，当EOP有效时，基字节计数器有效时，基字节计数器中的初值自动装入当前字节计数器中。中的初值自动装入当前字节计数器中。 4. 基字节计数器基字节计数器 与当前字

13、节计数器共用端口地址，存放与当前字节计数器共用端口地址，存放DMA传送数据的字节数；传送数据的字节数；在编程时，与当前字节计数器被同时写入。在编程时，与当前字节计数器被同时写入。 5. 方式寄存器方式寄存器 每个通道有一个方式寄存器，用来控制每个通道有一个方式寄存器，用来控制DMA传送方式和方向，其传送方式和方向，其格式如格式如图图11.3所示：所示： D1D0：用于通道选择。：用于通道选择。 D3D2：选择通道：选择通道DMA数据传送类型。数据传送类型。 图11.3 工作方式寄存器 00:校验传输 01:写传输 10:读传输 11:非法 若D7D6=11，则无效 D7 D6 D5 D4 D3

14、 D2 D1 D0 00:通道0 01:通道1 10:通道2 11:通道3 00:请求方式 01:单字节方式 10:块传送方式 11:级联方式 0:地址自增 1:地址自减 0:禁止自动预置 1:允许自动预置 D4：若为：若为1，表示自动预置，表示自动预置，D4为为0时，禁止自动预置。时，禁止自动预置。 D5：若为：若为0，地址自增，地址自增1；D5为为1，地址自减，地址自减1。 D6D7：用来定义：用来定义DMA传输方式，共有传输方式，共有4种，如图所示。其中级联种，如图所示。其中级联连接方式如连接方式如图图11.4所示。所示。 6. 命令寄存器命令寄存器 其格式和各位的定义如其格式和各位的定

15、义如图图11.5所示，设置各通道的功能。复位后，所示，设置各通道的功能。复位后，所有位清所有位清0。 D0：控制存储器到存储器传送。在存储器到存储器传送时占用两个：控制存储器到存储器传送。在存储器到存储器传送时占用两个通道，通道通道，通道0存放源操作数地址，通道存放源操作数地址，通道1存放目的地址。传送一个字节需存放目的地址。传送一个字节需要两个总线周期。要两个总线周期。 D1：与：与D0配合使用，当配合使用，当D0为为1时，且时，且D1为为1，存储器源地址保持不变。，存储器源地址保持不变。图1 1 . 4 8 2 3 7 A级联框图 微 处 理 器 H O L D H L D A 8 2 3

16、 7 A H R Q H L D A 8 2 3 7 A D R E Q D A C K H R Q H L D A D R E Q D A C K H R Q H L D A 8 2 3 7 A 第一级 第二级 0:固定优先权 1:循环优先权 0:不扩展写入 1:扩展写入 D3=1 时不起作用 图 11.5 命令寄存器 0:正常时序 1:压缩时序 D0=1 时不起作用 0:禁止存储器到存储器传输 1:允许存储器到存储器传输 0:禁止通道 0 地址不变 1:允许通道 0 地址不变 D0=0 时不起作用 0:允许 8237A 工作 1:禁止 8237A 工作 D7 D6 D5 D4 D3 D2

17、D1 D0 0:DREQ 高电平有效 1:DREQ 低电平有效 0:DACK 低电平有效 1:DACK 高电平有效 D2：启：启/停停8237A。 D3：在：在D0为为0时起作用。当时起作用。当D3为为0，选择普通时序，一次，选择普通时序，一次DMA传传送需用送需用4个时钟周期；当个时钟周期；当D3为为1，选择压缩时序，需，选择压缩时序，需3个时钟周期。个时钟周期。 D4：优先权控制，：优先权控制，D4为为0时选择固定优先级，通道时选择固定优先级，通道0级别最高；级别最高；D4为为1时，选择循环优先级方式。时，选择循环优先级方式。 D5：扩展写周期。：扩展写周期。D5为为1，写信号提前到状态信

18、号，写信号提前到状态信号S3发出。发出。 对于对于速度较慢的外部设备，可通过速度较慢的外部设备，可通过READY信号控制，在状态信号信号控制，在状态信号S3之后之后插入等待周期插入等待周期SW。 D6：DREQ有效电平控制位，有效电平控制位，D6为为1，低电平有效；，低电平有效；D6为为0，高电，高电平有效。平有效。 D7：DACK有效电平控制位，有效电平控制位，D7为为1，高电平有效；，高电平有效；D7为为0，低，低电平有效。电平有效。 7请求寄存器请求寄存器 8237A的的4个通道都有一个请求触发器，共同构成个通道都有一个请求触发器，共同构成DMA请求寄存请求寄存器。器。DMA请求可以由外

19、部触发，也可以软件设置。在存储器到存储请求可以由外部触发，也可以软件设置。在存储器到存储器传送时，只能由软件设置，格式如器传送时，只能由软件设置，格式如图图11.6所示。所示。 其中其中D1D0标识标识4个个通道序号。通道序号。 8. 屏蔽寄存器屏蔽寄存器 屏蔽寄存器有两个。一个是单通道屏蔽寄存器，另一个是主屏蔽屏蔽寄存器有两个。一个是单通道屏蔽寄存器，另一个是主屏蔽寄存器。单通道屏蔽寄存器的格式如寄存器。单通道屏蔽寄存器的格式如图图11.7（a）所示，所示， D1D0标识通标识通道号，道号，D2=1表示屏蔽，表示屏蔽，D2=0，不屏蔽。主屏蔽寄存器用来对，不屏蔽。主屏蔽寄存器用来对8237A

20、整整体设置，即一次设置体设置，即一次设置4个通道，其格式如个通道，其格式如图图11.7（b）所示。所示。 对屏蔽寄对屏蔽寄存器存器进行一次写操作进行一次写操作，即可清除，即可清除4个通道的屏蔽位，开放个通道的屏蔽位，开放DMA请求，请求，写入地址为写入地址为DMA+0EH。比如：。比如： MOV DX，DMA+14 OUT DX，AL未 用 图 11.6 请 求 寄 存 器 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 00:选 择 通 道0 01:选 择 通 道1 10:选 择 通 道2 11:选 择 通 道3 0:复 位 请 求 1:置 位 请 求 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D

21、1 D0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 图 11.7 屏蔽寄存器 (a) 通道屏蔽寄存器 未用 0:清除屏蔽位 1:置位屏蔽位 00:通道 0 屏蔽位 01:通道 1 屏蔽位 10:通道 2 屏蔽位 11:通道 3 屏蔽位 (b) 主屏蔽寄存器 未用 0:消除通道3屏蔽位 1:置位通道3屏蔽位 0:消除通道2屏蔽位 1:置位通道2屏蔽位 0:消除通道1屏蔽位 1:置位通道1屏蔽位 0:消除通道0屏蔽位 1:置位通道0屏蔽位 9. 状态寄存器状态寄存器 状态寄存器共有状态寄存器共有8位，给出位，给出8237A每个通道的状态，其格式如每个通道的状态，其格式如图图11.8所所示。示

22、。 D3D0标识标识4个通道计数器是否停止。如果计数终止或外部产生个通道计数器是否停止。如果计数终止或外部产生EOP信号，相应位置为信号，相应位置为1，停止，停止DMA操作。操作。D7D4表示表示4个通道是否有个通道是否有DMA请求，请求，1表示有请求，表示有请求，0表示没有请求。表示没有请求。 D0=1:通道 0 已停止计数 D1=1:通道 1 已停止计数 D2=1:通道 2 已停止计数 D3=1:通道 3 已停止计数 D7=1:通道 3 有请求 D6=1:通道 2 有请求 D5=1:通道 1 有请求 D4=1:通道 0 有请求 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 图 11.8

23、状态寄存器 10. 暂存寄存器暂存寄存器 在存储器到存储器传送时，暂存从存储器中读出的数据。传送完毕，在存储器到存储器传送时，暂存从存储器中读出的数据。传送完毕，保留最后一次传送的数据。在编程状态，其中的内容可由保留最后一次传送的数据。在编程状态，其中的内容可由CPU读出，读出，RESET复位时清复位时清0。 11.先先/后触发器后触发器 先先/后触发器清后触发器清0，第，第1字节写入寄存器的低字节写入寄存器的低8位，然后先位，然后先/后触发器自后触发器自动置动置1，第，第2个字节写入寄存器的高个字节写入寄存器的高8位。同时，先位。同时，先/后触发器自动清后触发器自动清0。 以上寄存器口地址与

24、作用如以上寄存器口地址与作用如表表11.1所示。所示。 8086地址线有地址线有20位（位（A19A0），而），而8237A只能提供只能提供16位地址线位地址线（A15A0）。）。 为使用为使用8237A来实现来实现DMA传送，常以硬件电路构成传送，常以硬件电路构成4位页面地址寄位页面地址寄存器，每个通道各有一个。在进行存器，每个通道各有一个。在进行DMA传送时，由页面地址寄存器提传送时，由页面地址寄存器提供供DMA传送所需要的高传送所需要的高4位地址位地址A19A16。表表11.1 8237A寄存器地址与操作命令寄存器地址与操作命令 寄存器端口地址寄存器端口地址 通道通道 读操作读操作 写操

25、作写操作 DMA+0DMA+1 0读当前地址寄存器读当前地址寄存器读当前字节计数器读当前字节计数器 写基写基/当前地址寄存器当前地址寄存器写基写基/当前字节计数器当前字节计数器 DMA+2DMA+3 1读当前地址寄存器读当前地址寄存器读当前字节计数器读当前字节计数器 写基写基/当前地址寄存器当前地址寄存器写基写基/当前字节计数器当前字节计数器 DMA+4DMA+5 2读当前地址寄存器读当前地址寄存器读当前字节计数器读当前字节计数器 写基写基/当前地址寄存器当前地址寄存器写基写基/当前字节计数器当前字节计数器 DMA+6DMA+7 3读当前地址寄存器读当前地址寄存器读当前字节计数器读当前字节计数

26、器 写基写基/当前地址寄存器当前地址寄存器写基写基/当前字节计数器当前字节计数器 DMA+8DMA+9DMA+10DMA+11DMA+12DMA+13DMA+14DMA+15 共共用用读状态寄存器读状态寄存器读暂存寄存器读暂存寄存器写命令寄存器写命令寄存器写请求寄存器写请求寄存器写单个通道屏蔽字写单个通道屏蔽字写方式字寄存器写方式字寄存器清除先清除先/后触发器后触发器复位芯片复位芯片(主清除主清除)清除屏蔽寄存器清除屏蔽寄存器写写4个通道屏蔽寄存器个通道屏蔽寄存器 11.3 8237A11.3 8237A工作状态与编程使用工作状态与编程使用11.3.1 11.3.1 工作状态工作状态11.3.

27、211.3.2 编程使用编程使用11.3.3 11.3.3 应用举例应用举例 11.3.1 工作状态工作状态 8237A的工作分为三个阶段，也称为状态，即空闲、的工作分为三个阶段，也称为状态，即空闲、DMA请求和传送。请求和传送。 1. 空闲状态空闲状态 没有外设的没有外设的DMA请求，不进行请求，不进行DMA传送，传送，DMA控制器处于空闲状态，控制器处于空闲状态，常用常用SI表示。在空闲状态，如果表示。在空闲状态，如果DMA控制器没有被屏蔽，则始终监视控制器没有被屏蔽，则始终监视DREQ输入端。输入端。 2. DMA请求与响应状态请求与响应状态 在空闲状态，若在空闲状态，若DREQ端有端有

28、DMA请求，则立即进入请求，则立即进入DMA请求状态，请求状态，DMA控制器向控制器向CPU发总线请求信号发总线请求信号HRQ，并等待总线响应。，并等待总线响应。DMA请求与请求与响应状态常用字母响应状态常用字母S0表示。表示。 在收到总线响应信号在收到总线响应信号HLDA之后，之后，DMA控制器获得总线控制权，进入控制器获得总线控制权，进入DMA传送状态。传送状态。 3. DMA传送状态传送状态 DMA传送包含传送包含4个状态周期，即个状态周期，即S1S4，以完成地址传送和数据的，以完成地址传送和数据的读读/写等操作。写等操作。 S1：输出地址允许信号：输出地址允许信号AEN。仅当高。仅当高

29、8位地址位地址A15A8更新时，才执更新时，才执行行S1状态。即每传送状态。即每传送256次执行一次次执行一次S1状态。状态。 S2：输出：输出16位地址到存储器，其中低位地址到存储器，其中低8位由地址线位由地址线A7A0输出，高输出，高8位由数据线位由数据线DB7DB0输出。同时，向外设发输出。同时，向外设发DMA响应信号响应信号DACK。 S3：输出读周期，即输出存储器读：输出读周期，即输出存储器读 MEMR 或或I/O读读IOR 信号。如果信号。如果超前写，则同时发出存储器写超前写，则同时发出存储器写MEMW或或IO写写IOW信号。信号。 S4：输出写周期，即输出存储器写：输出写周期，即

30、输出存储器写MEMW或或I/O写写IOW信号。信号。 对于低速主存或外设，可在对于低速主存或外设，可在S3之后插入之后插入1个或者多个等待周期个或者多个等待周期SW。11.3.2编程使用编程使用 编程初始化后，编程初始化后，8237A便自动控制数据的传送。初始化程序包便自动控制数据的传送。初始化程序包括以下几个方面：括以下几个方面： （1）先对总线命令寄存器复位；）先对总线命令寄存器复位； （2）把起始地址的低）把起始地址的低8位和高位和高8位分别写入地址寄存器；位分别写入地址寄存器； （3）把字计数值的低）把字计数值的低8位和高位和高8位分别写入字节计数寄存器；位分别写入字节计数寄存器； （

31、4）写方式寄存器；）写方式寄存器； （5）写屏蔽寄存器；）写屏蔽寄存器； （6）写命令寄存器。）写命令寄存器。 下面结合下面结合IBM PC/XT中中8237A的应用来说明其初始化编程。的应用来说明其初始化编程。8237A对应的端口地址是对应的端口地址是0000H000FH， 下面下面 以标号以标号DMA表示首地址表示首地址0000H。8237A利用页面寄存器利用页面寄存器74LS670提供最高提供最高4位地址位地址A19A16，其，其端口地址为端口地址为0083H。 MOV AL，04 ；设置命令字；设置命令字 MOV DX，DMA+8 OUT DX，AL ；输出控制命令，禁止；输出控制命令

32、，禁止8237A工作工作 MOV DX，DMA+0DH OUT DX，AL ；发总清命令，使；发总清命令，使8237A复位复位 MOV DX，DMA+00H ；指向通道；指向通道0的地址寄存器的地址寄存器 MOV CX，0004 ；设置循环次数；设置循环次数WRITE：MOV AL，0FFH OUT DX，AL ；通道；通道0写入地址低位写入地址低位 OUT DX，AL ；通道；通道0写入地址高位，写入地址高位，16位地址为位地址为0FFFFH INC DX INC DX ；指向通道；指向通道1 LOOP WRITE ；循环，向其余通道写入；循环，向其余通道写入16位地址位地址0FFFF MO

33、V DX，DMA+0BH ；指向方式寄存器；指向方式寄存器 MOV AL，58H ；设置通道；设置通道0方式字方式字 OUT DX，AL ；通道；通道0单字节，读传送，地址自增，自动预置单字节，读传送，地址自增，自动预置 MOV AL，41H ；设置通道；设置通道1方式字方式字 OUT DX，AL ；通道；通道1单字节，校验传送，地址自增，无单字节，校验传送，地址自增，无自动预置自动预置 MOV AL，42H ；设置通道；设置通道2方式字方式字 OUT DX，AL ；通道；通道2方式，同通道方式，同通道1 MOV AL，43H ；设置通道；设置通道3方式字方式字 OUT DX，AL ；通道；通道3方式，同通道方式，同通道1 MOV DX，DMA+0AH ；单屏蔽字寄存器地址；单屏蔽字寄存器地址 MOV AL，0 OUT DX，AL ；通道；通道0清除屏蔽清除屏蔽 MOV AL，01