第一讲：
第六章 DMA控制器和定时/计数器
回 顾：微型计算机与外部设备之间的数据传送控制方式
本讲重点：DMA的基本概念，DMA 控制器芯片8237的性能概述，内、外部
结构，工作周期，工作方式，通道的优先级及数据传输速率。
讲授内容：
6. 1 DMA控制器Intel8237 一、 DMA概述
我们已经介绍了微机系统中各种常用的数据输入输出方法，有程控法(包括无条件及条件传送方式)和中断法，这些方法适用于CPU与慢速及中速外设之间的数据交换。但当高速外设要与系统内存或者要在系统内存的不同区域之间，进行大量数据的快速传送时，就在一定程度上限制了数据传送的速率。以Intel8088CPU为例，CPU从内存(或外设)读数据到累加器，然后再写到外设端口(或内存)中，若包括修改内存地址，判断数据块是否传送完，Intel8088CPU(时钟接近5MHz)传送一个字节约需要几十微秒的时间，由此可大致估计出用程控及中断的方式来进行数据传送，其数据传送速率大约为每秒几十KB字节。
为了提高数据传送的速率，人们提出了直接存储器存取(DMA)的数据传送 控制方式，即在一定时间段内，由DMA控制器取代CPU，获得总线控制权， 来实现内存与外设或者内存的不同区域之间大量数据的快速传送。
典型的DMAC的工作电路如图6-1。DMA数据传送的工作过程大致如下： ① 外设向DMAC发出DMA 传送请求。
② DMAC通过连接到CPU 的HOLD信号向CPU提出DMA 请求。
③ CPU在完成当前总线操作 后会立即对DMA请求做出响 应。CPU的响应包括两个方面： 一方面，CPU将控制总线、数据 总线和地址总线浮空，即放弃对 这些总线的控制权；另一方面， CPU将有效的HLDA信号加到 DMAC上，用此来通知DMAC，
图6-1 DMAC的工作电路 CPU已经放弃了总线的控制权。
④ 待CPU将总线浮空，即放弃了总线控制权后，由DMAC接管系统总线 的控制权，并向外设送出DMA的应答信号。
⑤ 由DMAC送出地址信号和控制信号，实现外设与内存或内存不同区域之 间大量数据的快速传送。
⑥ DMAC将规定的数据字节传送完之后，通过向CPU发HOLD信号，撤 消对CPU的DMA请求。CPU收到此信号，一方面使HLDA无效，另一方面 又重新开始控制总线，实现正常取指令、分析指令、执行指令的操作。
需要注意的是，在内存与外设之间进行DMA传送期间，DMAC控制器只 是输出地址及控制信号，而数据传送是直接在内存和外设端口之间进行的，并 不经过DMAC；对于内存不同区域之间的DMA传送，则应先用一个DMA存 储器读周期将数据从内存的源区域读出，存入到DMAC的内部数据暂存器中， 再利用一个DMA存储器写周期将该数据写到内存的目的区域中去。
二、 DMA控制器芯片Intel 8237的性能概述
Intel8237是8086/8088微机系统中常用的DMAC芯片，有如下性能：
1．含有4个相互独立的通道，每个通道有独立的地址寄存器和字节数寄存器， 而控制寄存器、状态寄存器为四个通道所共用。 2．每个通道的DMA请求可以分别被允许/禁止。
3．每个通道的DMA请求有不同的优先权，可以可以通过程序设置为固定的或 者是旋转的方式。 4．通道中地址寄存器的长度为16位，因而一次DMA传送的最大数据块的长度为64K字节。 5．8237有4种工 作方式，分别为：单字节传送、数据块传送、请求传送、级连方式。
6．允许用EOP输入 信号来结束DMA 传送或重新初始 化。
7．8237可以级连以增加通道数。
图6-3 8237的内部结构组成 三、 8237的内部组成与结构
8237的方框图如图6-3所示，主要包含以下几个部分： 1．四个独立的DMA通道
每个通道都有一个16位的基地址寄存器，一个16位的基字节数计数器， 一个16位的当前地址寄存器和一个16位的当前字节数计数器及一个8位的方 式寄存器，方式寄存器接收并保存来自于CPU的方式控制字，使本通道能够 工作于不同的方式下； 2．定时及控制逻辑电路
对在DMA请求服务之前，CPU编程对给定的命令字和方式控制字进行译 码，以确定DMA的工作方式，并控制产生所需要的定时信号； 3．优先级编码逻辑
对通道进行优先级编码，确定在同时接收到不同通道的DMA请求
时，能够确定相应的先后次序。通道的优先级可以通过编程确定为是固定的或者是旋转的。
4．共用寄存器
除了每个通道中的寄存器之外，整个芯片还有一些共用的的寄存器：包括 1个16位的地址暂存寄存器，1个16位的字节数暂存寄存器，1个8位的状态 寄存器，1个8位的命令寄存器，1个8位的暂存寄存器，1个4位的屏蔽寄存 器和1个4位的请求寄存器等，我们将对这些寄存器的功能与作用，作较为详 细的介绍。
8237内部寄存器的类型和数量如表6-1所示，其中，凡数量为4个的寄存器，则每个通道一个，凡数量只有一个的，则为各通道所公用。 表6-1 8237的内部寄存器
寄存器名 基地址寄存器 基字节数寄存器 当前地址寄存器 当前字节数寄存器 地址暂存寄存器 字节数暂存寄存器
长度（Bit） 数量 16 16 16 16 16 16 4 4 4 4 1 1 寄存器名 状态寄存器 命令寄存器 暂存寄存器 方式寄存器 屏蔽寄存器 请求寄存器 长度（Bit） 数量 8 8 8 6 4 4 1 1 1 4 1 1 5．8237的数据引线，地址引线都有三态缓冲器，因而可以接也可以释放总线。
四、 8237的工作周期
在设计8237时，规定它具有两种主要的工作周期（或工作状态），即空闲 周期和有效周期，每一个周期又是由若干时钟周期所组成的。 1．空闲周期（lade cycle）
当8237的任一通道都无DMA请求时，则其处于空闲周期或称为SI状态， 空闲周期由一系列的时钟周期组成，在空闲周期中的每一个时钟周期，8237只 做两项工作：
? 采样各通道的DREQ请求输入线，只要无DMA请求，则其始终停留在SI状态；
? 由CPU对8237进行读/写操作，即采样片选信号CS，只要CS信号变为有效的低电平，则表明CPU要对8237进行读/写操作，当8237采样CS为低电平而DREQ也为低，即外部设备没有向8237发DMA请求的情况下，则进入CPU对8237的编程操作状态，CPU可以向8237的内部寄存器进行写操作，以决定或者改变8237的工作方式，或者对8237内部的相关寄存器进行读操作，以了解8237的工作状态。
CPU对8237进行读/写操作时，由地址信号A3~A0来选择8237内部的不同 寄存器(组)，由读/写控制信号IOR及IOW来控制读/写操作。由于8237内部的 地址寄存器和字节数计数器都是16位的，而数据线是8位的，所以在8237的 内部，有一个高/低字节触发器，称为字节指针寄存器，由它来控制8位信息是 写入16位寄存器的高8位还是低8位，该触发器的状态交替变化，当其状态为0时，进行低字节的读/写操作；而当其状态为1时，则进行低字节的读/写操作。 2．有效周期（Active Cycle）
当处于空闲状态的8237的某一通道接收到外设提出的DMA请求DREQ 时，它立即向CPU输出HRQ有效信号，在未收到CPU回答时，8237仍处于 编程状态，又称初始状态，记为S0状态。
经过若干个S0状态后，当8237收到来自于CPU的HLDA应答信号后，则进入工作周期，或称为有效周期，或者说8237由S0状态进入了S1状态。 S0状态是DMA服务的第一个状态，在这个状态下，8237已接收了外设的 请求，向CPU发出了DMA请求信号HRQ，但尚未收到CPU对DMA请求的 应答信号HLDA；而S1状态则是实际的DMA传送工作状态，当8237接收到CPU 发来的HLDA应答信号时，就可以由S0状态转入S1状态，开始DMA传送。
在内存与外设之间进行DMA传送时，通常一个S1周期由4个时钟周期组 成，即S1、S2、S3、S4，但当外设速度较慢时，可以插入SW等待周期；而在内 存的不同区域之间进行DMA传送时，由于需要依次完成从存储器读和向存储 器写的操作，所以完成每一次传送需要8个时钟周期，在前四个周期S11、S12、 S13、S14完成从存储器源区域的读操作，后四个时钟周期S21、S22、S23、S24完成 向存储器目的区域的写操作。
五、 8237的外部结构
8237是具有40个引脚的双列直插式集成电路芯片，其引脚如图6-4所示： 1．CLK：时钟信号输入引脚，对于标准的8237，其输入时钟频率为3MHz，对于8237-2，其输入时钟频率可达5MHz。 2．CS：芯片选择信号，输入引脚。
3．RESET：复位信号，输入引脚，用来清除8237中的命令、状态请求和临时寄存器，且使字节指针触发器复位并置位屏蔽触发器的所有位（即使所有通道工
作在屏蔽状态），在复位之后，8237工作于空闲周期SI。
4．READY：外设向8237提供的高电平有效的“准备好”信号输入引脚，若8237 在S3状态以后的时钟下降沿检测到READY为低电平，则说明外设还未准备好 下一次DMA操作，需要插入SW状态，直到READY引脚出现高电平为止。 5．DREQ0~DREQ3：DMA请求信号输入引脚，对应于四个独立的通道，DREQ 的有效电平可以通过编程来加以确定，优先级可以固定，也可以旋转。
6．DACK0~DACK3：对相应通道DREQ请求输入信号的应答信号输出引脚。 7．HRQ：8237向CPU提出DMA请求的输出信号引脚，高电平有效。 8．HLDA：CPU对HRQ请求信号的应答信号输入引脚，高电平有效。
9．DB0~DB7：8条双向三态数据总线引脚。在CPU控制系统总线时，可以通过DB0~DB7对8237编程或读出8237的内部状态寄存器的内容；在DMA操作期间，由DB0~DB7输出高8位地址信号A8~A15，并利用ADSTB信号锁存该地址信号。
在进行内存不同区域之间的DMA传送时，除了送出A8~A15地址信号外， 还分时输入从存储器源区域读出的数据，送入8237的暂存寄存器中，等到存储 器写周期时，再将这些数据通过这8个引脚，由8237的暂存寄存器送到系统数 据总线上，然后写入到规定的存储单元中去。
10．A3~A0 ：4条双向三态的低位地址信号引脚。在空闲周期，接收来自于CPU 的四位地址信号，用以寻址8237内部的不同的寄存器(组)；在DMA传送时，输出要访问的存储单元或者I/O端口地址的低4位。
11．A7~A4：4条三态地址信号输出引脚。在DMA传送时，输出要访问的存储 单元或者I/O端口地址的中4位。
12．IOR：低电平有效的双向三态信号引脚。在空闲周期，它是一条输入控制 信号，CPU利用这个信号读取8237内部状态寄存器的内容；而在DMA传送时， 它是读端口控制信号输出引脚，与MEMW相配合，使数据由外设传送到内存。 13．IOW：低电平有效的双向三态信号引脚，其功能与IOR相对应。
14．MEMR：低电平有效的双向三态信号引脚，用于DMA传送，控制存储器 的读操作。
15．MEMW：低电平有效的双向三态信号引脚，用于DMA传送，控制存储器 的写操作。
16．AEN：高电平有效的输出信号引脚，由它把锁存在外部锁存器中的高8位 地址送入系统的地址总线，同时禁止其它系统驱动器使用系统总线。
17．ADSTB：高电平有效的输出信号引脚，此信号把DB7~DB0上输出的高8位 地址信号锁存到外部锁存器中。
18．EOP：双向，当字节数计数器减为0时，在EOP上输出一个有效的低电平脉冲，表明DMA传送已经结束；也可接收外部的EOP信号，强行结束8237的DMA操作或者重新进行8237的初始化。当不使用EOP端时，应通过数千Ω的电阻接到高电平上，以免由它输入干扰信号。 19．+5V、GND及N/C引脚