1 DMA系统简介

DMA(direct memory access)是一种外设与存储器或者存储器与存储器之间直接传输数据的方式，在进行DMA存取时，CPU让出总线控制权，不在采用输入输出指令的方法进行数据存取，而采用一个专门的硬件DMAC(Direct Memory Access Control)控制电路，减少了中间环节，从而提高了传输速率。

1.1 DMA基本原理

DMA直接实现I/O与存储器之间的数据传送。
①当I/O接口准备好，希望进行DMA操作时，就像DMAC发出DMA请求信号DRQ(DMA Request)
②DMAC将此请求信号转变成对CPU的总线请求信号(Hold Request)
③CPU当前总线执行周期结束，相应DMAC操作，发出应答信号HLDA（Hold Acknowledgment），此时，由DMAC接管对总线的控制
④由DMAC对存储器寻址，并发出相应的控制信号（DACK，/RD，/WR），使存储器与I/O接口之间直接交换数据
⑤在传送一字节数据时，DMAC自动修改存储器地址和传送字节计数器，并检测传送是否结束
⑥DMA传送结束，DMAC向CPU发出结束信号（EOP），并释放总线，使得CPU重新获得总线控制，恢复正常工作

2 DMA控制器8237A

2.1 8237A概述

  1. 8237A是可编程DMA控制器；
  2. 每个8237A有4个独立的DMA通道，优先权不同；
  3. 每个DMA通道有4种工作方式；
  4. 一次传送的最大长度可达64KB；
  5. 多个8237A芯片可以级连，用于扩展通道数。

2.2 8237A内部结构

2.3 8237A引脚图

  1. 控制信号：
    (1) CLK：时钟(控制芯片内部操作和数据传输)
    (2) ADSTB：地址选通
    (3)/cs：片选
    (4) READY：准备好
    (5) AEN：地址允许
    (6)/MEMR：存储器读
    (7) RESET：复位
    (8)/MEMW：存储器写
    (9) /IOR：I/O读
    (10)/EOP ：过程结束
    (11) / IOW ：I/O写
  2. 请求和响应信号
    (1) DREQ0～DREQ3：DMA通道请求
    (2) HRQ：总线请求
    (3) HLDA：总线响应
    (4) DACK0～DACK3：DMA通道响应
  3. 数据和地址信号
    (1) A0～A7：地址线
    (2) DB0～DB7：数据线

2.4 8237A传送时序

(1) Si状态：空闲周期，Si的下降沿检测到有一个或几个DREQ请求，在Si的下一个上升沿向CPU发出DMA请求，HRQ有效；
(2) S0状态：等待CPU对总线请求的响应，S0的上升沿采样到HLDA信号有效， 下一周期进入S1状态；
(3) S1状态：地址允许信号AEN有效，存储单元高8位地址通过DB0DB7输出，发出地址选通信号ADSTB，下降沿对高8位地址进行锁存，地址低8位/由地址线A0A7 输出，且整个DMA传送期间保持；
(4) S2状态：8237A向外设输出DMA响应信号DACK，读写信号相继有效；
(5) S3状态和S4状态进行数据传送；
(6) 块传送方式下：S4后传送下一个字节 ，地址高8位不变，低8位变化，不需要S1直接进入S2，直到发生TC事件。
(7) 若S4之前不能完成数据传送，可令READY为低，在S3和S4之间插入Sw，以加宽DMA传送周期。

2.5 8237A工作方式

2.5.1 单字节传送方式

(1) 传送过程：8237A获取总线控制权后，传送一个字节，字节数寄存器减1，地址寄存器加1或减1，HRQ变为无效，释放总线，HRQ很快再次有效，接收到HLDA有效信号后，传送下一字节，重复以上过程，直到字节数从0减到FFFFH，发生TC事件，DMA传送结束。
(2) 特点：效率低，但能保证两次DMA传送之间CPU有机会重新获取总线控制权。

2.5.2 块传送方式

(1) 传送过程：由DREQ启动后就连续传送数据，直到TC事件发生或外部输入有效的/EOP信号为止。
(2) 特点：一次请求能传送一个数据块，效率高；但整个DMA传送期间CPU长时间无法控制总线。

2.5.3请求传送方式

连续传送数据，当出现以下三种情况之一时停止。
(1) 字节数寄存器从0减到FFFFH，发生TC事件；
(2) 由外部送来一个有效的 信号；
(3)外部输入的DREQ信号变为无效。
当第三种情况发生时，当外设准备好数据后，传送可以继续下去。
特点：DMA操作可由外设控制传送的过程。

2.5.4 级联传送方式

若干片8237A构成主从式DMA系统

2.6 8237A传送类型

  1. DMA读：数据由存储器传送到外设
  2. DMA写：外设输入的数据写入存储器
  3. DMA检验：空操作，时序信号、地址信号与读写时一样，但读写控制线无效，常用于校验。
  4. 存储器到存储器传送：通道0为源，通道1为目的，软件启动，每传送一个字节需8个时钟周期，前4个时钟周期用于从源区将数据读入8237A的临时寄存器，后4个时钟周期把临时寄存器中的数据写入目的区，直至TC事件发生或发来/EOP信号。

2.7 8237A寄存器组

  1. 现行地址寄存器：用于保存DMA传送的当前地址值。
  2. 现行字节数寄存器：保存着还要传送的字节数。
  3. 基地址寄存器：保存现行地址初值。
  4. 基字节数寄存器：保存现行字节数初值。
  5. 模式寄存器：保存相应通道模式控制字。
  6. 命令寄存器：设置8237A操作方式
  7. 请求寄存器：数据块传送时可由软件发出DREQ请求，存储器到存储器传送时，必须由软件请求启动通道0。
  8. 屏蔽寄存器：用于屏蔽外设发出的DREQ请求。

    (2) 主屏蔽字格式
  9. 状态寄存器：从CPU读取8237A的工作状态 。
  10. 临时寄存器： 在存储器到存储器传送方式下，保存数据

2.8 8237A的软件命令

237A共有10种内部寄存器，对它们的操作有时需要配合3个软件命令。8237A “软件命令”的特征：
(1) 不需要通过数据总线写入控制字；
(2) 直接由地址和控制信号译码实现。

  1. 清除高/低触发器软件命令
    高/低触发器控制16位寄存器的读写：
    触发器为0，操作低字节；
    触发器为1，操作高字节；
    16位寄存器进行一次操作，触发器
    状态自动改变；
    A3A2A1A0＝1100，高/低触发器清零。
  2. 主清除命令
    与硬件的RESET信号具有相同的功能，
    A3A2A1A0＝1101
  3. 清屏蔽寄存器命令
    使4个屏蔽位都清零(允许DMA请求)
    A3A2A1A0＝1110