數(shù)字量輸入輸出控制系統(tǒng)

數(shù)字量輸入輸出控制系統(tǒng)第1頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六CPUDMAC(i8237)內(nèi)存外設(shè)總線響應(yīng)總線請求第2頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六

DMA控制器的功能1、編程設(shè)定DMA的傳輸方式、訪問的內(nèi)存地址、字節(jié)數(shù)2、對DMA請求（DREQ）屏蔽或允許，確定優(yōu)先級3、向CPU提出總線請求信號（HRQ）4、接收CPU總線響應(yīng)信號（HLDA），接管總線5、向被響應(yīng)的設(shè)備傳達(dá)DMA允許信號（DACK）6、管理傳送數(shù)據(jù)，修改儲存器地址和計(jì)數(shù)字節(jié)7、傳輸完畢，發(fā)出EOP結(jié)束信號，CPU收回總線控制權(quán)第3頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六

I/O向DMACDMAC向CPU響應(yīng)DMAC向發(fā)請求CPU發(fā)請求DMAC請求I/O發(fā)響應(yīng)DMA傳送結(jié)束DMA傳送進(jìn)行DMAC發(fā)出控制信號DMAC發(fā)出內(nèi)存地址DMA工作過程第4頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六8237內(nèi)部結(jié)構(gòu)

8237A有4個獨(dú)立的DMA通道內(nèi)部寄存器基址寄存器（4個）和當(dāng)前地址寄存器（4個）基字節(jié)計(jì)數(shù)器（4個）和當(dāng)前字節(jié)計(jì)數(shù)器（4個）臨時地址寄存器狀態(tài)寄存器命令寄存器臨時寄存器模式寄存器（4個）

屏蔽寄存器請求寄存器第5頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六第6頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六8237外部引腳第7頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六8237A主從兩面性：作為DMAC，8237A是可控制總線的主模塊。作為I/O芯片，8237A可被處理器讀寫。注意8237A主-從地址的變化。第8頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六8237A引線說明：DB7-DB0：雙向數(shù)據(jù)總線。8237A為從模塊時被處理器編程或讀狀態(tài)，DB7-DB0作為數(shù)據(jù)線，傳輸數(shù)據(jù)或命令字。8237A為主模塊時DB7-DB0輸出地址A15-A8，在存儲器到存儲器傳送操作時經(jīng)DB7-DB0，將存儲器數(shù)據(jù)送8237A暫存器。A3-A0：地址線，從模塊時為輸入，處理器尋址 8237A；主模塊時輸出最低4位地址。第9頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六A7-A4：地址線，主模塊時輸出A7-A4。CS：

片選，從模塊時處理器用來尋址8237A。IOR，IOW：I/O讀寫控制，雙向。8237A在從模塊時 為輸入，在主模塊時為輸出。AEN

輸出，DMA地址允許信號，高電平有效ADSTB輸出：8位地址選通信號；在主模塊時允許外部鎖存器鎖存8237A的高8位地址。MEMR，MEMW：輸出，存儲器讀寫控制，主模塊時送存儲器。READY：輸入，準(zhǔn)備就緒，主模塊時控制總線周期的長度，與慢速設(shè)備同步。第10頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六RESET：輸入，復(fù)位信號，復(fù)位時屏蔽寄存器置 1，其它寄存器置0。EOP：雙向。輸出時，表明內(nèi)部通道傳送結(jié)束； 輸入時，表明外部強(qiáng)迫DMA傳送停止。DREQ0-DREQ3：I/O設(shè)備DMA請求輸入信號。DACK0-DACK3：輸出DMA請求的響應(yīng)。HRQ：8237A向處理器發(fā)出的總線請求信號。HLDA：處理器發(fā)給8237A的總線請求響應(yīng)信號。第11頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六第12頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六第13頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六DMA時序圖(P347圖5.64)可作外設(shè)片選

交出總線（AB/DB/CB）第14頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六8237的工作模式1.單字節(jié)傳輸模式(singletransfermode)2.塊傳輸模式(blocktransfermode)3.請求傳輸模式(demandtransfermode)4.級聯(lián)模式(cascademode)第15頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六1.單字節(jié)傳輸模式(singletransfermode)

在單字節(jié)傳輸方式下，DMA控制器每次請求總線只傳送一個字節(jié)數(shù)據(jù)，傳送完后即釋放總線控制權(quán)。在此方式下，總線控制權(quán)處于CPU與DMA控制器交替控制之中，其間，總線控制權(quán)經(jīng)過多次交換。以從內(nèi)存輸出一個字節(jié)數(shù)據(jù)到外設(shè)的DMA傳送過程為例，具體說明DMA的操作過程。第16頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六(6)內(nèi)存把數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)總線(7)接口鎖存數(shù)據(jù)內(nèi)存接口DMA控制器I/O設(shè)備8086和總線控制邏輯HOLDHLDA(1)接口準(zhǔn)備就緒，發(fā)DMA請求(2)發(fā)總線請求(3)總線允許(5)DMA請求得到確認(rèn)(9)8086收回總線控制權(quán)(8)撤銷總線請求(4)DMA控制器把地址送地址總線數(shù)據(jù)總線控制總線地址總線圖11.10以DMA方式輸出一個字節(jié)數(shù)據(jù)的工作過程第17頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六若從外設(shè)往內(nèi)存輸入一個數(shù)據(jù)塊(輸入過程)，在單字節(jié)傳輸模式下，其主要工作過程為：(1)I/O接口向DMA控制器發(fā)送DMA請求信號；(2)DMA控制器向CPU發(fā)總線請求信號，當(dāng)?shù)玫紺PU送來的總 線允許信號后，DMA控制器獲得總線控制權(quán)；(3)DMA控制器將其地址寄存器的內(nèi)容送到地址總線上；(4)DMA控制器往I/O接口發(fā)送DMA響應(yīng)信號，并接著發(fā)出 讀I/O接口信號IOR，令I(lǐng)/O接口把數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線上；(5)DMA控制器發(fā)出存儲器寫信號MEMW，將數(shù)據(jù)傳送到由地 址總線上的地址所指向的內(nèi)存單元；(6)DMA控制器放棄對總線的控制權(quán)；(7)地址寄存器加1；(8)字節(jié)計(jì)數(shù)寄存器減1；(9)如果字節(jié)計(jì)數(shù)寄存器的值不為零，則返回第一步，否則結(jié) 束。

第18頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六8237僅在空閑狀態(tài)SI（CPU控制總線）時，采樣DREQ信號并進(jìn)行優(yōu)先級比較，一旦進(jìn)入DMA過程，8237只在S1—S4之間循環(huán)，不能再對DREQ信號進(jìn)行采樣或優(yōu)先級比較，即不會發(fā)生DMA嵌套。單字節(jié)傳輸模式的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)總線不至于長時間陷入對某一個DMA通道的服務(wù)。PC系列中給用戶提供的DMA通道只允許使用單字節(jié)傳輸模式。仍比查詢、中斷方式快很多第19頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六2.塊傳輸模式(blocktransfermode)

塊傳輸模式是指DMA控制器每次請求總線即連續(xù)傳送一個數(shù)據(jù)塊，待整個數(shù)據(jù)塊全部傳送完成后再釋放總線控制權(quán)。這種模式傳輸效率較高。一次所傳送數(shù)據(jù)塊的最大長度可達(dá)64KB由于在DMA數(shù)據(jù)傳送期間，CPU須將總線控制權(quán)交給DMAC，這相當(dāng)于斷絕了CPU與存儲器等外部器件的往來，致使CPU無法獲得執(zhí)行所需的指令和數(shù)據(jù)，也無法獲得外部的中斷請求信號，這一方面會影響CPU的工作，同時也將影響整個系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，一次DMA傳送的時間不宜過長，以免對整個系統(tǒng)造成不可挽回的影響。第20頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六3.請求傳輸模式(demandtransfermode)

和塊傳輸模式相比，僅多了一個功能，即可以通過撤銷DREQ信號來打斷傳輸過程。每傳輸完一個字節(jié)，DMA控制器都要檢測由I/O接口發(fā)來的“DMA請求”信號（DREQ信號）是否仍然有效，如果該信號仍有效，則繼續(xù)進(jìn)行DMA傳輸；否則，就暫停傳輸，交還總線控制權(quán)給CPU，直至“DMA請求”信號再次變?yōu)橛行?，?shù)據(jù)塊傳輸則從剛才暫停的那一點(diǎn)繼續(xù)進(jìn)行下去。請求傳輸模式允許DMA過程在單字節(jié)傳輸模式和塊傳輸模式之間自動切換，增加了靈活性，降低了對I/O設(shè)備傳輸速度的要求：如果I/O設(shè)備速度足夠快，則進(jìn)行塊傳輸；如果I/O設(shè)備速度較慢，則隨時可以等一下。第21頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六4.級聯(lián)模式(cascademode)

在級聯(lián)方式下，將多個8237級聯(lián)起來，以擴(kuò)展DMA通道數(shù)。后一級的HRQ和HLDA信號連到前一級的DREQ和DACK上。在級聯(lián)方式下，當(dāng)?shù)诙?237的請求得到響應(yīng)時，第一級8237僅輸出HRQ信號而不能輸出地址及控制信號，因?yàn)榈诙壍?237才是真正的主控制器，而第一級的8237僅應(yīng)起到傳遞DREQ請求信號及DACK應(yīng)答信號的作用。第22頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六8237的操作類型在前三種工作方式下，DMA傳送有三種類型：

DMA讀傳送、DMA寫傳送、DMA校驗(yàn)傳送

DMA讀：是指把數(shù)據(jù)由存儲器傳送至I/O接口，操作時先由 /MEMR有效從存儲器讀出數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)總線上，然 后再由/IOW有效把數(shù)據(jù)寫入I/O接口。

DMA寫:是指把數(shù)據(jù)由I/O接口傳送至存儲器，操作時先由IOR 有效從I/O接口讀出數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)總線上，然后再由 /MEMW有效把數(shù)據(jù)寫入存儲器.

DMA校驗(yàn):也被稱為假傳送(pseudotransfers)。在校驗(yàn)傳送 時，8237雖然也像讀傳送或?qū)憘魉鸵粯拥禺a(chǎn)生地址以 及EOP信號等，但存儲器和I/O接口的讀、寫控制信號 均處于無效狀態(tài)，所以實(shí)際上并不進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 這種傳送類型一般是用于對DMAC器件測試時使用。第23頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六8237的存儲器到存儲器的傳送方式（1）

要使用兩個通道共同完成存儲器到存儲器的傳送方式通道0作DMA讀 通道1作DMA寫通道0的地址寄存器編程為源區(qū)地址； 通道1的地址寄存器編程為目的區(qū)地址， 通道1的字節(jié)計(jì)數(shù)寄存器編程為傳送的字節(jié)數(shù)。由于此傳送過程沒有外部設(shè)備參與，因此沒有外部引入的DREQ信號來啟動DMA操作。于是，需要對通道0寫入一個軟件DREQ請求命令，產(chǎn)生HRQ信號啟動DMA。第24頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六每傳送一個字節(jié)要用8個S狀態(tài)，前4個狀態(tài)為DMA讀，后4個狀態(tài)為DMA寫。通道0以當(dāng)前地址寄存器內(nèi)容為源地址到源存儲器讀出數(shù)據(jù)送入8237內(nèi)部的暫存寄存器，然后以通道1將自己的當(dāng)前地址寄存器內(nèi)容放到地址總線上，發(fā)出/MEMW有效信號，把數(shù)據(jù)從暫存寄存器中寫入目的區(qū)。每傳送一個字節(jié)，源地址和目的地址都要修改(增1或減1)，字節(jié)數(shù)減1。直至通道1的字節(jié)計(jì)數(shù)結(jié)束，產(chǎn)生EOP有效信號，才停止DMA傳送。也允許外部輸入EOP有效信號來中止傳輸。8237的存儲器到存儲器的傳送方式（2）第25頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六此時8237是作為CPU的I/O接口芯片：CS選中芯片地址信號A3~A0選擇內(nèi)部寄存器IOW和IOR決定對寄存器是讀還是寫8237初始化編程第26頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六寄存器名稱位長數(shù)量基地址寄存器16位4基字節(jié)計(jì)數(shù)寄存器16位4當(dāng)前地址寄存器16位4當(dāng)前字節(jié)計(jì)數(shù)寄存器16位4臨時地址寄存器16位1臨時字節(jié)計(jì)數(shù)寄存器16位1命令寄存器8位1狀態(tài)寄存器8位1暫存寄存器8位1模式寄存器6位4屏蔽寄存器4位1請求寄存器4位1第27頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六A3A2A1A0通道號讀操作(IOR)寫操作（IOW）00000讀當(dāng)前地址寄存器寫基(當(dāng)前)地址寄存器0000讀當(dāng)前字節(jié)數(shù)寄存器寫基(當(dāng)前)字節(jié)計(jì)數(shù)寄存器00101讀當(dāng)前地址寄存器寫基(當(dāng)前)地址寄存器0011讀當(dāng)前字節(jié)數(shù)寄存器寫基(當(dāng)前)字節(jié)計(jì)數(shù)寄存器01002讀當(dāng)前地址寄存器寫基(當(dāng)前)地址寄存器0101讀當(dāng)前字節(jié)數(shù)寄存器寫基(當(dāng)前)字節(jié)計(jì)數(shù)寄存器01103讀當(dāng)前地址寄存器寫基(當(dāng)前)地址寄存器0111讀當(dāng)前字節(jié)數(shù)寄存器寫基(當(dāng)前)字節(jié)計(jì)數(shù)寄存器1000四個通道公用讀狀態(tài)寄存器寫命令寄存器1001－－寫請求寄存器1010－－寫屏蔽寄存器某一位1011－－寫模式寄存器1100－－清除高低位觸發(fā)器命令1101讀暫存寄存器主清除命令1110－－清除屏蔽寄存器1111－－寫屏蔽寄存器所有位8237寄存器的尋址第28頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六進(jìn)行DMA傳輸前,對各寄存器寫不同的內(nèi)容,即進(jìn)行初始化編程。初始化內(nèi)容分為數(shù)值型和功能型第29頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六1.數(shù)值型每個通道將傳輸中要訪問的存儲器的初始地址寫入基地址寄存器和當(dāng)前地址寄存器(同時寫入),把要求傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)寫入基字節(jié)數(shù)計(jì)數(shù)器和當(dāng)前字節(jié)計(jì)數(shù)器(同時寫入).

從高/低觸發(fā)器零狀態(tài)起,先寫入低字節(jié),再寫入高字節(jié)第30頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六高/低觸發(fā)器D7~D0IOW低字節(jié)低字節(jié)高字節(jié)高字節(jié)第31頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六每傳送一個字節(jié),當(dāng)前寄存器內(nèi)容加1或減1(由模式寄存器設(shè)定)修正,當(dāng)前字節(jié)數(shù)計(jì)數(shù)器從初始值減到0,還要再傳輸一個字節(jié),從0變成0FFFFH后,才發(fā)出EOP信號結(jié)束DMA過程.

初始化編程時把真正傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)減1后再寫到字節(jié)數(shù)計(jì)數(shù)器中.第32頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六如設(shè)置了自動重置功能,當(dāng)EOP信號產(chǎn)生時,將自動把基地址寄存器和基字節(jié)數(shù)寄存器的內(nèi)容再次置入當(dāng)前地址寄存器和當(dāng)前字節(jié)數(shù)寄存器,重復(fù)DMA傳輸.

自動重置功能在寫模式寄存器時由D5寫入第33頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六2.功能型命令寄存器模式寄存器請求寄存器屏蔽寄存器狀態(tài)寄存器第34頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六0禁止存儲器到存儲器傳送1

允許存儲器到存儲器傳送D0D1D2D3D4D5D6D70DACK低電平有效1DACK高電平有效0DREQ高電平有效1DREQ低電平有效0正常寫1擴(kuò)展寫X若D3=10固定優(yōu)先權(quán)1循環(huán)優(yōu)先權(quán)0禁止通道0地址保存1允許通道0地址保存X若D0=00允許8237工作1禁止工作0普通時序1壓縮時序命令寄存器第35頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六

0123最高最低4個通道優(yōu)先級從高到低的次序?yàn)?通道0,1,2,3固定優(yōu)先權(quán)最高使剛服務(wù)過的通道i的優(yōu)先級變?yōu)樽畹?使通道i+1的優(yōu)先級變?yōu)樽罡?例如,設(shè)某次傳輸后優(yōu)先級次序?yàn)橥ǖ?

2301最高最低若通道2服務(wù),后優(yōu)先級次序變?yōu)?

3012最高最低旋轉(zhuǎn)優(yōu)先權(quán)第36頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六D7D6規(guī)定DACK和DREQ有效極性D5D3選擇工作時序D4規(guī)定優(yōu)先權(quán)編碼方式存儲器到存儲器傳輸時,若D1=1,允許將通道1指定的目的存儲器一批單元的內(nèi)容全傳到通道0指定的源區(qū)的某一單元內(nèi)容

D2=1，禁止本片工作一片8237僅一個命令控制字，其內(nèi)容對4個通道都有效。復(fù)位后，各位都清零。第37頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六00校驗(yàn)傳送01寫傳送10讀傳送11非法XX若D7D6=11D0D1D2D3D4D5D6D70地址增一1地址減一0不重置1自動重置00選擇通道001選擇通道110選擇通道211選擇通道300請求傳送方式01單字節(jié)傳送方式10塊傳送方式11級聯(lián)方式模式寄存器第38頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六D0D1D2D3D4D5D6D700

選擇通道001

選擇通道110

選擇通道211

選擇通道30

清除請求1

設(shè)置請求無關(guān)請求寄存器每個通道都有一個請求位可用軟件命令對其進(jìn)行置位/復(fù)位操作第39頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六對請求位的置位等效于外部產(chǎn)生一個有效的DREQ（I/O設(shè)備的DMA請求信號）信號，二者的優(yōu)先級排隊(duì)情況也一樣。軟件請求不受屏蔽寄存器控制，但只能用于塊傳送方式。存儲器到存儲器的傳送只能用通道0的軟件請求啟動。一個通道的DMA結(jié)束時，其請求位被復(fù)位。整個芯片的復(fù)位操作清除全部請求寄存器。關(guān)于請求寄存器第40頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六D7D6D5D4D3D2D1D000

選擇通道001

選擇通道110

選擇通道211

選擇通道30

清除屏蔽位1

置位屏蔽位無關(guān)寄存器地址A3~A0=1010B屏蔽控制字格式1－控制屏蔽某一通道屏蔽寄存器是公共的某位置‘1’時，外部對應(yīng)的DREQ信號被屏蔽，不予響應(yīng)第41頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六D7D6D5D4D3D2D1D0無關(guān)0

不屏蔽通道01

屏蔽通道00不屏蔽通道11屏蔽通道10不屏蔽通道31屏蔽通道30不屏蔽通道21屏蔽通道2寄存器地址A3~A0=1111B

屏蔽控制字格式2－控制屏蔽4個通道第42頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六對8237做一次寫操作（虛擬寫，沒有電路接收數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)），則將清除屏蔽寄存器所有位（4個通道全開放）。

此時數(shù)據(jù)總線上可為任意值一般情況下，通道在一次DMA傳送結(jié)束后，自動設(shè)置屏蔽位，再次傳輸需要用軟件清除屏蔽位。自動重置在每次DMA傳送結(jié)束后不設(shè)置屏蔽。清除屏蔽寄存器（地址A3~A0=1110B）第43頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六D7D6D5D4D3D2D1D01通道3請求1

通道2請求1通道1請求1通道0請求1通道0傳輸結(jié)束1

通道1傳輸結(jié)束1

通道2傳輸結(jié)束1通道3傳輸結(jié)束狀態(tài)寄存器第44頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六沒有進(jìn)入DMA前，CPU通過狀態(tài)字查詢。低4位反映傳輸完成情況，高4位反映請求情況。正常計(jì)數(shù)結(jié)束，或外部輸入EOP，響應(yīng)相應(yīng)位復(fù)位。單字節(jié)傳輸模式下，CPU獲得總線控制權(quán)，通過這種查詢了解DMA進(jìn)行情況。狀態(tài)寄存器第45頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六關(guān)于軟件命令：第46頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六A3A2A1A0通道號讀操作(IOR)寫操作（IOW）00000讀當(dāng)前地址寄存器寫基(當(dāng)前)地址寄存器0000讀當(dāng)前字節(jié)數(shù)寄存器寫基(當(dāng)前)字節(jié)計(jì)數(shù)寄存器00101讀當(dāng)前地址寄存器寫基(當(dāng)前)地址寄存器0011讀當(dāng)前字節(jié)數(shù)寄存器寫基(當(dāng)前)字節(jié)計(jì)數(shù)寄存器01002讀當(dāng)前地址寄存器寫基(當(dāng)前)地址寄存器0101讀當(dāng)前字節(jié)數(shù)寄存器寫基(當(dāng)前)字節(jié)計(jì)數(shù)寄存器01103讀當(dāng)前地址寄存器寫基(當(dāng)前)地址寄存器0111讀當(dāng)前字節(jié)數(shù)寄存器寫基(當(dāng)前)字節(jié)計(jì)數(shù)寄存器1000四個通道公用讀狀態(tài)寄存器寫命令寄存器1001－－寫請求寄存器1010－－寫屏蔽寄存器某一位1011－－寫模式寄存器1100－－清除高低位觸發(fā)器命令1101讀暫存寄存器主清除命令1110－－清除屏蔽寄存器1111－－寫屏蔽寄存器所有位8237寄存器的尋址第47頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六關(guān)于閱讀時序第48頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六第49頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六第50頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六第51頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六第52頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六第53頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六第54頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六第55頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六應(yīng)用舉例（P354/P