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怎么启动一个DMA传输事务?

DMA是外设与主存之间的一种数据传输机制。一般来说,外设与主存之间存在两种数据传输方法:(1)Pragrammed I/O(PIO)方法,也即由CPU通过内存读写指令或I/O指令来持续地读写外设的内存单元(8位、16位或32位),直到整个数据传输过程完成。

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刘馨

2019-10-29 15:06:29
1.DMA概述
DMA是外设与主存之间的一种数据传输机制。一般来说,外设与主存之间存在两种数据传输方法:(1)Pragrammed I/O(PIO)方法,也即由CPU通过内存读写指令或I/O指令来持续地读写外设的内存单元(8位、16位或32位),直到整个数据传输过程完成。 (2)DMA,即由DMA控制器(DMA CONtroller,简称DMAC)来完成整个数据传输过程。在此期间,CPU可以并发地执行其他任务,当DMA结束后,DMAC通过中断通知CPU数据传输已经结束,然后由CPU执行相应的ISR进行后处理。
DMA技术产生时正是ISA总线在PC中流行的时侯。因此,ISA卡的DMA数据传输是通过ISA总线控制芯片组中的两个级联8237 DMAC来实现的。这种DMA机制也称为“标准DMA”(standard DMA)。标准DMA有时也称为“第三方DMA”(third-party DMA),这是因为:系统DMAC完成实际的传输过程,所以它相对于传输过程的“前两方”(传输的发送者和接收者)来说是 “第三方”。
标准DMA技术主要有两个缺点:(1)8237 DMAC的数据传输速度太慢,不能与更高速的总线(如PCI)配合使用。(2)两个8237 DMAC一起只提供了8个DMA通道,这也成为了限制系统I/O吞吐率提升的瓶颈。
鉴于上述两个原因,PCI总线体系结构设计一种成为“第一方DMA”(first-party DMA)的DMA机制,也称为“Bus Mastering”(总线主控)。在这种情况下,进行传输的PCI卡必须取得系统总线的主控权后才能进行数据传输。实际的传输也不借助慢速的ISA DMAC来进行,而是由内嵌在PCI卡中的DMA电路(比传统的ISA DMAC要快)来完成。Bus Mastering方式的DMA可以让PCI外设得到它们想要的传输带宽,因此它比标准DMA功能满足现代高性能外设的要求。
随着计算机外设技术的不断发展,现代能提供更快传输速率的Ultra DMA(UDMA)也已经被广泛使用了。本为随后的篇幅只讨论ISA总线的标准DMA技术在Linux中的实现。记住:ISA卡几乎不使用Bus Mastering模式的DMA;而PCI卡只使用Bus Mastering模式的DMA,它从不使用标准DMA。
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柳杨

2019-10-29 15:06:38
2.Intel 8237 DMAC
最初的IBM PC/XT中只有一个8237 DMAC,它提供了4个8位的DMA通道(DMA channel 0-3)。从IBM AT开始,又增加了一个8237 DMAC(提供4个16位的DMA通道,DMA channel 4-7)。两个8237 DMAC一起为系统提供8个DMA通道。与中断控制器8259的级联方式相反,第一个DMAC被级联到第二个DMAC上,通道4被用于DMAC级联,因此 它对外设来说是不可用的。第一个DMAC也称为“slave DAMC”,第二个DMAC也称为“Master DMAC”。
下面我们来详细叙述一下Intel 8237这个DMAC的结构。
每个8237 DMAC都提供4个DMA通道,每个DMA通道都有各自的寄存器,而8237本身也有一组控制寄存器,用以控制它所提供的所有DMA通道。
2.1 DMA通道的寄存器
8237 DMAC中的每个DMA通道都有5个寄存器,分别是:当前地址寄存器、当前计数寄存器、地址寄存器(也称为偏移寄存器)、计数寄存器和页寄存器。其中,前两个是8237的内部寄存器,对外部是不可见的。
(1)当前地址寄存器(Current Address Register):每个DMA通道都有一个16位的当前地址寄存器,表示一个DMA传输事务(Transfer Transaction)期间当前DMA传输操作的DMA物理内存地址。在每个DMA传输开始前,8237都会自动地用该通道的Address Register中的值来初始化这个寄存器;在传输事务期间的每次DMA传输操作之后该寄存器的值都会被自动地增加或减小。
(2)当前计数寄存器(Current Count Register):每个每个DMA通道都有一个16位的当前计数寄存器,表示当前DMA传输事务还剩下多少未传输的数据。在每个DMA传输事务开始之 前,8237都会自动地用该通道的Count Register中的值来初始化这个寄存器。在传输事务期间的每次DMA传输操作之后该寄存器的值都会被自动地增加或减小(步长为1)。
(3)地址寄存器(Address Register)或偏移寄存器(Offset Register):每个DMA通道都有一个16位的地址寄存器,表示系统RAM中的DMA缓冲区的起始位置在页内的偏移。
(4)计数寄存器(Count Register):每个DMA通道都有一个16位的计数寄存器,表示DMA缓冲区的大小。
(5)页寄存器(Page Register):该寄存器定义了DMA缓冲区的起始位置所在物理页的基地址,即页号。页寄存器有点类似于PC中的段基址寄存器。
2.2 8237 DAMC的控制寄存器
(1)命令寄存器(Command Register)
这个8位的寄存器用来控制8237芯片的操作。其各位的定义如下图所示:
(2)模式寄存器(Mode Register)
用于控制各DMA通道的传输模式,如下所示:
(3)请求寄存器(Request Register)
用于向各DMA通道发出DMA请求。各位的定义如下:
(4)屏蔽寄存器(Mask Register)
用来屏蔽某个DMA通道。当一个DMA通道被屏蔽后,它就不能在服务于DMA请求,直到通道的屏蔽码被清除。各位的定义如下:
上述屏蔽寄存器也称为“单通道屏蔽寄存器”(Single Channel Mask Register),因为它一次只能屏蔽一个通道。此外含有一个屏蔽寄存器,可以实现一次屏蔽所有4个DMA通道,如下:
(5)状态寄存器(Status Register)
一个只读的8位寄存器,表示各DMA通道的当前状态。比如:DMA通道是否正服务于一个DMA请求,或者某个DMA通道上的DMA传输事务已经完成。
2.3 8237 DMAC的I/O端口地址
主、从8237 DMAC的各个寄存器都是编址在I/O端口空间的。而且其中有些I/O端口地址对于I/O读、写操作有不同的表示含义。如下表示所示:
Slave DMAC’s I/O port Master DMAC’sI/O port read write
0x000 0x0c0 Channel 0/4 的Address Register
0x001 0x0c1 Channel 0/4的Count Register
0x002 0x0c2 Channel 1/5 的Address Register
0x003 0x0c3 Channel 1/5的Count Register
0x004 0x0c4 Channel 2/6的Address Register
0x005 0x0c5 Channel 2/6的Count Register
0x006 0x0c6 Channel 3/7的Address Register
0x007 0x0c7 Channel 3/7的Count Register
0x008 0x0d0 Status Register Command Register
0x009 0x0d2 Request Register
0x00a 0x0d4 Single Channel Mask Register
0x00b 0x0d6 Mode Register
0x00c 0x0d8 Clear Flip-Flop Register
0x00d 0x0da Temporary Register Reset DMA controller
0x00e 0x0dc Reset all channel masks
0x00f 0x0de all-channels Mask Register
各DMA通道的Page Register在I/O端口空间中的地址如下:
DMA channel Page Register’sI/O port address
0 0x087
1 0x083
2 0x081
3 0x082
4 0x08f
5 0x08b
6 0x089
7 0x08a
注意两点:
1. 各DMA通道的Address Register是一个16位的寄存器,但其对应的I/O端口是8位宽,因此对这个寄存器的读写就需要两次连续的I/O端口读写操作,低8位首先被发送,然后紧接着发送高8位。
2. 各DMA通道的Count Register:这也是一个16位宽的寄存器(无论对于8位DMA还是16位DMA),但相对应的I/O端口也是8位宽,因此读写这个寄存器同样需要两 次连续的I/O端口读写操作,而且同样是先发送低8位,再发送高8位。往这个寄存器中写入的值应该是实际要传输的数据长度减1后的值。在DMA传输事务期 间,这个寄存器中的值在每次DMA传输操作后都会被减1,因此读取这个寄存器所得到的值将是当前DMA事务所剩余的未传输数据长度减1后的值。当DMA传 输事务结束时,该寄存器中的值应该被置为0。
2.4 DMA通道的典型使用
在一个典型的PC机中,某些DMA通道通常被固定地用于一些PC机中的标准外设,如下所示:
Channel Size Usage
0 8-bit Memory Refresh
1 8-bit Free
2 8-bit Floppy Disk Controller
3 8-bit Free
4 16-bit Cascading
5 16-bit Fr ee
6 16-bit Free
7 16-bit Free
2.5 启动一个DMA传输事务的步骤
要启动一个DMA传输事务必须对8237进行编程,其典型步骤如下:
1.通过CLI指令关闭中断。
2.Disable那个将被用于此次DMA传输事务的DMA通道。
3.向Flip-Flop寄存器中写入0值,以重置它。
4.设置Mode Register。
5.设置Page Register。
6.设置Address Register。
7.设置Count Register。
8.Enable那个将被用于此次DMA传输事务的DMA通道。
9.用STI指令开中断。
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