《微機(jī)原理與接口技術(shù)》課件第8章 輸入輸出與接口技術(shù)-1

第8章輸入/輸出與接口技術(shù)8.1接口技術(shù)概述8.2CPU與外設(shè)之間數(shù)據(jù)傳送方式8.3DMA控制器8.4可編程定時/計(jì)數(shù)接口電路及其應(yīng)用8.5可編程并行接口電路及其應(yīng)用8.6可編程串行接口電路及其應(yīng)用習(xí)題88.1.1CPU與外部設(shè)備之間的接口信息

CPU通過接口與外部設(shè)備的連接如圖8.1所示，其中既有數(shù)據(jù)端口，又有狀態(tài)端口，還有控制端口，每一個I/O端口對應(yīng)一個I/O地址。從硬件角度看，端口可以理解為寄存器。數(shù)據(jù)端口可以是雙向的，狀態(tài)端口只作輸入操作，控制端口只作輸出操作。CPU用I/O指令對其直接訪問。在I/O操作中，主要有三類信息：數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息。8.1接口技術(shù)概述圖8.1簡單的外設(shè)接口

(1)數(shù)據(jù)信息：是CPU和I/O設(shè)備交換的基本信息，通常是8位或16位。數(shù)在輸入過程中，數(shù)據(jù)信息一般是由外部設(shè)備通過接口芯片傳遞給系統(tǒng)的。數(shù)據(jù)信息由外設(shè)經(jīng)過外設(shè)和接口之間的數(shù)據(jù)線進(jìn)入接口，再到達(dá)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線，然后送入CPU。在輸出過程中，數(shù)據(jù)信息從CPU經(jīng)過數(shù)據(jù)總線進(jìn)入接口，再通過外設(shè)和接口之間的數(shù)據(jù)線，到達(dá)外設(shè)。

(2)狀態(tài)信息：反映了當(dāng)前外設(shè)的工作狀態(tài)，它是由外設(shè)通過接口送入CPU的。對于輸入設(shè)備來說，用Ready信號來表示待輸入的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備就緒；對于輸出設(shè)備來說，用Busy信號來表示輸出設(shè)備是否處于空閑狀態(tài)，如空閑，則可接收CPU送來的數(shù)據(jù)信息，否則CPU等待。

(3)控制信息：是CPU通過接口送給外設(shè)的。CPU通過發(fā)送控制信息控制外設(shè)的工作。外設(shè)種類不同，控制信息也各不相同。接口控制信號一般可分為兩類：總線控制信號和輸入/輸出控制信號?？偩€控制信號包括數(shù)據(jù)線、地址線、IOR、LOW等；輸入/輸出控制信號比較復(fù)雜，一般包括數(shù)據(jù)線、輸入/輸出應(yīng)答信號等。8.1.2輸入/輸出指令及其尋址方式在微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，端口的編址通常有兩種不同的方式，一是I/O端口與存儲器單元統(tǒng)一編址；二是I/O端口獨(dú)立編址。

1.I/O端口與存儲器單元統(tǒng)一編址所謂I/O端口與存儲器單元統(tǒng)一編址，也稱為存儲器映像(MemoryMapped)I/O方式，既把每個I/O端口都當(dāng)作一個存儲器單元看待，I/O端口與存儲器單元在同一個地址空間中進(jìn)行統(tǒng)一編址。通常，是在整個地址空間中劃分出一小塊連續(xù)的地址分配給I/O端口。被分配給I/O端口的地址，存儲器不能再使用，如圖8.2所示。圖8.2內(nèi)存映射與I/O映射編址(a)內(nèi)存映射編址；(b)I/O映射I/O編址

2.I/O端口獨(dú)立編址I/O端口獨(dú)立編址(I/OMapped)，也稱為I/O隔離編址或I/O指令尋址方式，即I/O端口地址區(qū)域和存儲器地址區(qū)域，分別各自獨(dú)立編址。訪問I/O端口使用專門的I/O指令，而訪問內(nèi)存則使用MOV指令。CPU在尋址內(nèi)存和外設(shè)時，使用不同的控制信號來區(qū)分當(dāng)前是對內(nèi)存操作還是對I/O操作。

3.輸入/輸出指令及其尋址

1)8086/8088采用的IN和OUT指令

I/O指令可以采用8位(單字節(jié))或16位(雙字節(jié))地址兩種尋址方式。如采用單字節(jié)作為端口地址，則最多可以有256個端口(端口地址號從00H～FFH)，并且是直接尋址(直接端口尋址)方式，指令格式如下：輸入: IN AX，Port ；從Port端口輸入16位數(shù)據(jù)到AX IN AL，Port ；從Port端口輸入8位數(shù)據(jù)到AL輸出: OUT Port，AX ；從AX輸出16位數(shù)據(jù)到Port端口

OUT Port，AL ；從AL輸出8位數(shù)據(jù)到Port端口這里Port是一個單字節(jié)的8位地址。

如用雙字節(jié)地址作為端口地址，則最多可以有64K個端口(端口地址號從0000H～FFFFH)，并且是間接尋址方式，即把端口地址放在DX寄存器內(nèi)(間接端口尋址)。其指令格式如下：輸入： MOV DX，XXXXH ；16位地址

IN AX，DX ；16位傳送或 IN AL，DX ；8位傳送輸出： MOV DX，XXXXH OUT DX，AX ；16位傳送或 OUT DX，AL ；8位傳送這里XXXXH為兩字節(jié)地址信息。2)80286和80386/486還支持I/O端口直接與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳送輸入： MOV DX，Port LES DI，Bufferin INSB ；8位傳送或 INSW ；16位傳送輸出： MOV DX，Port LDS SI，Bufferout OUTSB ；8位傳送或 OUTSW ；16位傳送

這里的輸入與輸出是直接對內(nèi)存儲器的RAM而言，當(dāng)輸入時，用ES:DI指向RAM中的目標(biāo)緩沖區(qū)Bufferin；當(dāng)輸出時，用DS:SI，指向源緩沖區(qū)Bufferout。若在INS或OUTS指令前加上REP重復(fù)前綴時，則可以實(shí)現(xiàn)I/O端口與RAM上的緩沖區(qū)之間進(jìn)行成批數(shù)據(jù)傳送。從輸入/輸出指令可以看出，對于PC系列的機(jī)器，I/O端口內(nèi)的數(shù)據(jù)也有8位與16位之分，通常16位數(shù)據(jù)端口地址安置在偶數(shù)地址號上，CPU在一次總線周期內(nèi)就可以存取16位的數(shù)據(jù)。8位數(shù)據(jù)的端口地址可以安置在偶地址號或奇地址號上，偶地址使用數(shù)據(jù)總線D7～D0傳送數(shù)據(jù)，奇地址使用數(shù)據(jù)總線D15～D8傳送數(shù)據(jù)。表8-l列出8位或16位數(shù)據(jù)端口在奇數(shù)或偶數(shù)端口地址號上，單字節(jié)直接尋址的輸入/輸出指令。表8-1IBM-PC機(jī)上I/O端口地址配置I/O端口配置地址數(shù)據(jù)總線指令舉例8位偶數(shù)地址D7～D0INAL，20HOUT20H，AL奇數(shù)地址D15～D8INAL，21HOUT21H，AL16位偶數(shù)地址D15～D0INAX，20HOUT20H，AX8.1.3CPU的輸入/輸出時序1.I/O讀總線周期時序一般I/O設(shè)備的工作速度較慢，所以在I/O總線周期的T3和T4之間插入一個等待狀態(tài)Tw，使整個周期由4個T狀態(tài)變?yōu)?個。所以各個信號也都要相應(yīng)地延長或推遲一個時鐘周期。CPU仍是在T4狀態(tài)的開始采樣數(shù)據(jù)線，由于CPU只用A15～A0尋址I/O端口，所以地址總線上沒有A19～A16的狀態(tài)。其時序如圖8.3所示。圖8.38086I/O讀寫時序

2.I/O寫總線周期時序

I/O寫總線周期的時序與I/O讀相比，除()信號換成了()信號外，數(shù)據(jù)信號也提前產(chǎn)生，但仍必須保持到T4狀態(tài)的上升沿之后，以便I/O端口在T4為低電平的某個時刻寫入數(shù)據(jù)。8.1.4常用外圍接口芯片

1.三態(tài)緩沖器74LS244外設(shè)輸入的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信號，通過數(shù)據(jù)輸入三態(tài)緩沖器經(jīng)數(shù)據(jù)總線傳送給微處理器。74LS244芯片的8位三態(tài)總線驅(qū)動器如圖8.4所示。圖8.474LS244結(jié)構(gòu)及引腳

2.數(shù)據(jù)收發(fā)器74LS245

74LS245是一種三態(tài)輸出的8總線收發(fā)器，其邏輯電路和引腳如圖8.5所示。該收發(fā)器有16個雙向傳送的數(shù)據(jù)端，即A1～A8，B1～B8，另有兩個控制端——使能端和方向控制端DIR，該芯片的功能見表8-2。

74LS245通常用于數(shù)據(jù)的雙向傳送、緩沖和驅(qū)動。表8-274LS245的真值表圖8.574LS245結(jié)構(gòu)及引腳

3.輸出寄存器(74LS273)數(shù)據(jù)輸出寄存器用來寄存微處理器送出的數(shù)據(jù)和命令。數(shù)據(jù)輸出接口通常是用具有信息存儲能力的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)的。最簡單的輸出接口可用D觸發(fā)器構(gòu)成。8D觸發(fā)器74LS273如圖8.6所示。8個數(shù)據(jù)輸入端D0～D7與微型計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)總線相連，8個數(shù)據(jù)輸出端Q0～Q7與外設(shè)相連。圖7.674LS273引腳及其真值表加到74LS273時鐘端CLK的脈沖信號的上升沿將出現(xiàn)在D0～D7上的數(shù)據(jù)寫入該觸發(fā)器寄存。該觸發(fā)器寄存的數(shù)據(jù)可由CLR上的脈沖的下降沿清除。該觸發(fā)器寄存數(shù)據(jù)的過程是微處理器執(zhí)行OUT指令完成的。執(zhí)行OUT指令時，微處理器發(fā)出寫寄存器信號，該信號通常是端口地址和I/O寫信號IOW相負(fù)與產(chǎn)生的。將寫寄存器信號接至74LS273的CLK端。OUT指令就把累加器AL中的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線送至該觸發(fā)器寄存。74LS273可以用作無條件傳送的輸出接口電路。

4.鎖存器74LS373鎖存器是由三態(tài)緩沖器和寄存器組成的。數(shù)據(jù)進(jìn)入寄存器寄存后并不立即從寄存器輸出，要經(jīng)過三態(tài)緩沖才能輸出。鎖存器既可以作數(shù)據(jù)輸入寄存器，又可以作數(shù)據(jù)輸出寄存器。

74LS273的數(shù)據(jù)鎖存輸出端Q是通過一個一般的門(二態(tài)門)輸出的。也就是說，只要74LS273正常工作，其Q端總有一個確定的邏輯狀態(tài)(0或1)輸出。因此，74LS273無法直接用作輸入接口，即它的Q端絕對不允許直接與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線相連接。

74LS373是一種8D鎖存器，具有三態(tài)驅(qū)動輸出，其引線圖和真值表如圖8.7所示。圖8.774LS373結(jié)構(gòu)及引腳表8-374LS373的真值表8.2CPU與外設(shè)之間數(shù)據(jù)傳送方式8.2.1程序控制方式

1.無條件傳送無條件傳送是一種最簡單的輸入/輸出控制方法，一般用于控制CPU與低速I/O接口之間的信息交換，例如，開關(guān)、繼電器和速度、溫度、壓力、流量等變送器(即A/D轉(zhuǎn)換器)。由于這些信號變化很緩慢，當(dāng)需要采集這些數(shù)據(jù)時，外部設(shè)備已經(jīng)把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒，無需檢查端口的狀態(tài)，就可以立即采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)保持時間相對于CPU的處理時間長得多。因此，輸入的數(shù)據(jù)就用不著加鎖存器而直接用三態(tài)緩沖器與系統(tǒng)總線連接。

2.有條件傳送又稱為程序查詢方式。這種傳送方式在接口電路中，除具有數(shù)據(jù)緩沖器或數(shù)據(jù)鎖存器外，還應(yīng)具有外設(shè)狀態(tài)標(biāo)志位，用來反映外部設(shè)備數(shù)據(jù)的情況。比如，在輸入時，若數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好，則將該標(biāo)志位置位；輸出時，若數(shù)據(jù)已空(數(shù)據(jù)已被取走)，則將標(biāo)志位置位。在接口電路中，狀態(tài)寄存器也占用端口地址號。使用有條件傳送方式控制數(shù)據(jù)的輸入/輸出，通常要按圖8.8的流程進(jìn)行。即首先讀入設(shè)備狀態(tài)標(biāo)志信息，再根據(jù)所讀入的狀態(tài)信息進(jìn)行判斷，若設(shè)備未準(zhǔn)備就緒，則程序轉(zhuǎn)移去執(zhí)行某種操作，或循環(huán)回去重新執(zhí)行讀入設(shè)備狀態(tài)信息；若設(shè)備準(zhǔn)備好，則執(zhí)行完成數(shù)據(jù)傳送的I/O指令。數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后，CPU轉(zhuǎn)去執(zhí)行其他任務(wù)，剛才所操縱的設(shè)備脫離CPU控制。圖8.8條件傳送示意圖8.2.2中斷控制方式有條件傳送的缺點(diǎn)除了占用CPU較多的工作時間外，還難以滿足實(shí)時控制系統(tǒng)對I/O工作的要求。因?yàn)樵诓樵兎绞街?，CPU處于主動地位，而外設(shè)接口處于消極被查詢的被動地位。而在一般實(shí)時控制系統(tǒng)中，外設(shè)要求CPU為它服務(wù)是隨機(jī)的，而且支持系統(tǒng)的外設(shè)往往有幾個甚至幾十個，若采用查詢方式工作，很難實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中每一個外設(shè)都工作在最佳工作狀態(tài)。所謂工作在最佳狀態(tài)，是指一旦某個外設(shè)請求CPU為它服務(wù)時，CPU應(yīng)該以最快的速度響應(yīng)其請求。這就要求系統(tǒng)中的外設(shè)，具有主動申請CPU為其服務(wù)的權(quán)利。比如，當(dāng)某個A/D轉(zhuǎn)換器的模擬量已轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，這時它就可以立刻向CPU發(fā)出中斷請求，CPU暫時中止處理當(dāng)前的事務(wù)，而轉(zhuǎn)去執(zhí)行優(yōu)先的中斷服務(wù)程序，輸入A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量數(shù)據(jù)。微型計(jì)算機(jī)都具有中斷控制的能力，8086/8088CPU的中斷結(jié)構(gòu)靈活，功能很強(qiáng)。所以，微機(jī)系統(tǒng)采用中斷控制I/O方式是很方便的。CPU執(zhí)行完每一條指令后，都會去查詢外部是否有中斷請求，若有，就暫停執(zhí)行現(xiàn)行的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序，完成傳送數(shù)據(jù)的任務(wù)。當(dāng)然，在一個具有多個外設(shè)的系統(tǒng)中，在同一時刻就往往不止一個外設(shè)提出中斷請求，這就引入了所謂中斷優(yōu)先權(quán)管理和中斷嵌套等問題。8.2.3直接存儲器存取(DMA)控制方式

對于一些高速外設(shè)或數(shù)據(jù)通信，如高速磁盤控制器或高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，中斷控制方式往往滿足不了它們的需要。為此，提出了數(shù)據(jù)在I/O接口與存儲器之間的傳送，不經(jīng)CPU的干預(yù)，而是在專用硬件電路的控制下，在存儲器和外部設(shè)備之間，直接開辟高速的數(shù)據(jù)傳送通路直接傳送。這種方法稱為直接存儲器存取(DirectMemoryAccess，縮寫為DMA)。為實(shí)現(xiàn)這種工作方式而設(shè)計(jì)的專用接口電路，稱為DMA控制器(DMAC)。例如，Intel公司的8257、8237，Zilog公司的Z8410(Z80DMAC)，Motorola公司的MC6844等，都是能實(shí)現(xiàn)DMA方式的可編程DMAC芯片。DMA的工作過程大致如下：

(1)當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備好，可以進(jìn)行DMA傳送時，外設(shè)向DMA控制器發(fā)出DMA傳送請求信號(DRQ)。

(2)DMA控制器收到請求后，向CPU發(fā)出“總線請求”信號HOLD，申請占用總線。

(3)CPU在完成當(dāng)前總線周期后會立即對HOLD信號進(jìn)行響應(yīng)。響應(yīng)包括兩個方面，一是CPU將數(shù)據(jù)總線、地址總線和相應(yīng)的控制信號線均置為高阻態(tài)，由此放棄對總線的控制權(quán)。另一方面，CPU向DMA控制器發(fā)出“總線響應(yīng)”信號(HLDA)。(4)DMA控制器收到HLDA信號后，就開始控制總線，并向外設(shè)發(fā)出DMA響應(yīng)信號DACK。

(5)DMA控制器送出地址信號和相應(yīng)的控制信號，實(shí)現(xiàn)外設(shè)與內(nèi)存或內(nèi)存與內(nèi)存之間的直接數(shù)據(jù)傳送。例如，在地址總線上發(fā)出存儲器的地址，向存儲器發(fā)出寫信號MEMW，同時向外設(shè)發(fā)出I/O地址、IOR和AEN信號，即可從外設(shè)向內(nèi)存?zhèn)魉鸵粋€字節(jié)。

(6)DMA控制器自動修改地址和字節(jié)計(jì)數(shù)器，并據(jù)此判斷是否需要重復(fù)傳送操作。規(guī)定的數(shù)據(jù)傳送完后，DMA控制器就撤消發(fā)往CPU的HOLD信號。CPU檢測到HOLD失效后，緊接著撤消HLDA信號，并在下一時鐘周期重新開始控制總線時，繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。(1)硬盤和軟盤I/O?？梢允褂肈MAC作磁盤存儲介質(zhì)與半導(dǎo)體主存儲器之間傳送數(shù)據(jù)的接口。這種場合需要將磁盤中的大量數(shù)據(jù)(如磁盤操作系統(tǒng)等)快速地裝入內(nèi)部存儲器。

(2)快速通信通道I/O。例如，光導(dǎo)纖維通信鏈路，DMAC可以用來作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和快速通信通道之間的接口，可作為同步通信數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，以便提高響應(yīng)時間，支持較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，并使CPU脫出來做其他工作。DMA方式主要用于：(3)多處理機(jī)和多程序數(shù)據(jù)塊傳送。對于多處理機(jī)結(jié)構(gòu)，通過DMAC控制數(shù)據(jù)傳送，可以較容易地實(shí)現(xiàn)專用存儲器和公用存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送，對多任務(wù)應(yīng)用、頁式調(diào)度和任務(wù)調(diào)度都需要傳送大量的數(shù)據(jù)。因此，采用DMA方式可以提高數(shù)據(jù)傳輸速度。

(4)掃描操作。在圖像處理中，對CRT屏幕送數(shù)據(jù)，也可以采用DMA方式。(5)快速數(shù)據(jù)采集。當(dāng)要采集的數(shù)據(jù)量很大，而且數(shù)據(jù)是以密集突發(fā)的形式出現(xiàn)，例如，對波形的采集，此時采用DMA方式可能是最好的方法，它能滿足響應(yīng)時間和數(shù)據(jù)傳輸速率的要求。

(6)在PC/XT機(jī)中還采用DMA方式進(jìn)行DRAM的刷新操作。DMA工作過程波形如圖8.9所示。圖8.9DMA工作波形8.2.4I/O處理機(jī)方式

8089是專門用來處理輸入/輸出的協(xié)處理器。它共有52條指令、lMB尋址能力和兩個獨(dú)立的DMA通道。當(dāng)8086/8088加上8089組成系統(tǒng)后，8089能代替8086/8088，以通道控制方式管理各種I/O設(shè)備。以通道控制方式管理I/O設(shè)備，目前只有在大中型計(jì)算機(jī)中才普遍使用，因此，8089為微機(jī)的輸入/輸出系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來換代性的變化。一般情況下，通過接口電路控制I/O外設(shè)，必須依靠CPU的支持，對于非DMA方式，從外部設(shè)備每讀入一個字節(jié)或發(fā)送給外部設(shè)備一個字節(jié)，都必須由CPU執(zhí)行指令來完成。雖然高速設(shè)備可以用DMA傳送數(shù)據(jù)，但仍然需要CPU對DMAC進(jìn)行初始化，啟動DMA操作，以及完成每次DMA操作之后都要檢查傳送的狀態(tài)。

對I/O數(shù)據(jù)的處理，如對數(shù)據(jù)的變換、拆、裝、檢查等，更加需要CPU支持，CPU控制I/O如圖8.10(a)所示。從圖中不難看出，普通I/O接口，不管是DMA方式還是非DMA方式，在I/O傳送過程都要占去CPU的開銷。8089是一個智能控制器，它可以取出和執(zhí)行指令，除了控制數(shù)據(jù)傳送外，還可以執(zhí)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算、轉(zhuǎn)移、搜索和轉(zhuǎn)換。當(dāng)CPU需要進(jìn)行I/O操作時，它只要在存儲器中建立一個信息塊，將所需要的操作和有關(guān)參數(shù)按照規(guī)定列入，然后通知8089前來讀取。8089讀得操作控制信息后，能自動完成全部的I/O操作。

因此，對配合8089的CPU來說，所有輸入/輸出的操作過程中，數(shù)據(jù)都是以塊為單位成批發(fā)送或接收的，而把一塊數(shù)據(jù)按字或字節(jié)與I/O設(shè)備(如CRT終端，行式打印機(jī))交換都由8089來完成，當(dāng)8089控制數(shù)據(jù)交換時，CPU可以并行處理其他操作。由于引入8089來承擔(dān)原來必須由CPU承擔(dān)的I/O操作，這就大大地減輕了CPU控制外設(shè)的負(fù)擔(dān)，有效地減少了CPU在I/O處理中的開銷。8089控制I/O如圖8.10(b)所示。圖8.108086、8089控制I/O(a)8086控制I/O;(b)8089控制I/O8.3DMA控制器8237及其應(yīng)用8.3.1DMA控制器的功能通用的DMA控制器應(yīng)具有以下功能：

(1)編程設(shè)定DMA的傳輸模式及其所訪問內(nèi)存的地址區(qū)域。

(2)屏蔽或接受外部設(shè)備的DMA請求(DREQ)。當(dāng)有多個設(shè)備同時請求時，還要進(jìn)行優(yōu)先級排隊(duì)，首先接受最高級的請求。(3)向CPU轉(zhuǎn)達(dá)DMA請求。DMA控制器要向CPU發(fā)出總線請求信號HOLD(高電平有效)，請求CPU放棄總線的控制。

(4)接收CPU的總線響應(yīng)信號(HLDA)。接管總線控制權(quán)，實(shí)現(xiàn)對總線的控制。

(5)向相應(yīng)外部設(shè)備轉(zhuǎn)達(dá)DMA允許信號DACK。于是在DMA控制器的管理下，實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備和存儲器之間的數(shù)據(jù)直接傳送。(6)在傳送過程中進(jìn)行地址修改和字節(jié)計(jì)數(shù)。在傳送完要求的字節(jié)數(shù)后，向CPU發(fā)出DMA結(jié)束信號(EOP)，撤消總線請求(HRQ)，將總線控制權(quán)交還給CPU。

DMA控制器一方面可以接管總線，直接在其他I/O接口和存儲器之間進(jìn)行讀寫操作，就像CPU一樣成為總線的主控器件，這是有別于其他I/O控制器的根本不同之處。另一方面，作為一個可編程I/O器件，其DMA控制功能正是通過初始化編程來設(shè)置的。當(dāng)CPU用I/O指令對DMA控制器寫入或者讀出時，它又和其他I/O電路一樣成為總線的從屬部件。8.3.2可編程控制器Intel8237DMAC的主要性能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)

8237DMAC是Intel8080、8085、8086、8088系列通用的，一種高性能可編程DMA控制器芯片，它的性能如下：

(1)使用單一的+5V電源、單相時鐘、40條引腳、雙列直插式封裝。時鐘頻率為3～5MHz，最高速率可達(dá)1.6MB/s。

(2)具有四個獨(dú)立的通道?？梢圆捎眉壜?lián)方式擴(kuò)充用戶所需要的通道，每個通道都具有16位地址寄存器和16位字節(jié)計(jì)數(shù)器。(3)用戶通過編程，可以在四種操作類型和四種傳送方式之中任選一種。

(4)每個通道都具有獨(dú)立的允許/禁止DMA請求的控制。所有通道都具有獨(dú)立的自動重置原始狀態(tài)和參數(shù)的能力。

(5)有增1和減1自動修改地址的能力。

(6)具有固定優(yōu)先權(quán)和循環(huán)優(yōu)先權(quán)兩種優(yōu)先權(quán)排序的優(yōu)先權(quán)控制邏輯。(7)每個通道都有軟件的DMA請求。還各有一對聯(lián)絡(luò)信號線(通道請求信號DREQ和響應(yīng)信號DACK)，而且DREQ和DACK信號的有效電平可以通過編程來設(shè)定。

(8)具有終止DMA傳送的外部信號輸入引腳，外部通過此引腳輸入有效低電平的過程終止信號EOP，可以終止正在執(zhí)行的DMA操作。每個通道在結(jié)束DMA傳送后，會產(chǎn)生過程終止信號EOP輸出，可以用它作為中斷請求信號輸出。

8237A的內(nèi)部寄存器的類型和數(shù)量如表8-4所示。表8-48237A內(nèi)部寄存器8237A由I/O緩沖器、時序和控制邏輯、優(yōu)先級編碼器和循環(huán)優(yōu)先級邏輯、命令控制邏輯和內(nèi)部寄存器組五部分組成，如圖8.11所示。其中圖(a)是8237A內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，圖(b)是四通道示意圖。通道部分只畫出了一個通道的情況，即每個通道都有一個基地址寄存器、基字節(jié)數(shù)寄存器、當(dāng)前地址寄存器和當(dāng)前字節(jié)數(shù)寄存器(16位)，每一個通道都有一個6位的模式寄存器以控制不同的工作模式。圖8.118237A結(jié)構(gòu)(a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖；(b)四通道示意框圖圖8.118237A結(jié)構(gòu)(a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖；(b)四通道示意框圖8.3.38237的引腳和時序圖8.128237引腳

引腳的功能定義如下：

CLK(Clock)：時鐘輸入，用來控制8237內(nèi)部操作定時和DMA傳送時的數(shù)據(jù)傳送速率。

CS(ChipSelect)：片選輸入，低電平有效。在CPU控制總線時，即8237在受控方式下，當(dāng)CS有效時，選中該8237作為I/O設(shè)備，而當(dāng)CPU向8237寫入編程控制字時，它開啟I/O寫輸入；當(dāng)CPU從8237讀回狀態(tài)字，或當(dāng)前地址、當(dāng)前字節(jié)計(jì)數(shù)器內(nèi)容時，它開啟I/O讀輸入。在DMA控制總線時，自動禁止CS輸入，以防止DMA操作期間該器件選中自己。RESET：復(fù)位輸入，高電平有效。RESET有效時，會清除命令、狀態(tài)、請求和暫存寄存器，并清除字節(jié)指示器和置位屏蔽寄存器。復(fù)位后，8237處于空閑周期，它的所有控制線都處于高阻狀態(tài)，并且禁止所有通道的DMA操作。復(fù)位之后必須重新對8237初始化，它才能進(jìn)入DMA操作。READY：準(zhǔn)備好輸入信號。當(dāng)選用的存儲器或I/O設(shè)備速度比較慢時，可用這個異步輸入信號使存儲器或I/O讀寫周期插入等待狀態(tài)，以延長8237傳送的讀/寫脈沖(IOR，LOW，EMMR和MEMW)。

HRQ(HoldRequest)：請求占有信號，輸出，高電平有效。在僅有一塊8237的系統(tǒng)中，HRQ通常接到CPU的HOLD引腳，用來向CPU請求對系統(tǒng)總線的控制權(quán)。如果通道的相應(yīng)屏蔽位被清除，也就是說DMA請求未被屏蔽，只要出現(xiàn)DREQ有效信號，8237就會立即發(fā)出HRQ有效信號。在HRQ有效之后，至少等待一個時鐘周期后，HLDA才會有效。HLDA(HoldAcknowledge)：同意讓出總線響應(yīng)輸入信號，高電平有效。來自CPU的同意讓出總線響應(yīng)信號，它有效表示CPU已經(jīng)讓出對總線的控制權(quán)，把總線的控制權(quán)交給DMAC。

DREQ0～DREQ3(DMARequest)：DMA請求輸入信號。它們的有效電平可由編程設(shè)定。復(fù)位時使它們初始化為高電平有效。這4條DMA請求線是外部電路為取得DMA服務(wù)，而送到各個通道的請求信號。在固定優(yōu)先權(quán)時，DREQ0的優(yōu)先權(quán)最高，DREQ3的優(yōu)先權(quán)最低。各通道的優(yōu)先權(quán)級別是可以編程設(shè)定的，當(dāng)通道的DREQ有效時，就向8237請求DMA操作。DACK是響應(yīng)DREQ信號后，進(jìn)入DMA服務(wù)的應(yīng)答信號，在響應(yīng)的DACK產(chǎn)生前DREQ必須維持有效。DACK0～DACK3(DMAAcknowledge)：DMA響應(yīng)輸出，它們的有效電平可由編程設(shè)定，復(fù)位時使它們初始化為低電平有效。8237用這些信號來通知各自的外部設(shè)備已經(jīng)被授予一個DMA周期了，即利用有效的DACK信號作為I/O接口的選通信號。系統(tǒng)允許多個DREQ同時有效，但在同一時間，只能一個DACK信號有效。

A3～A0(Address)：地址線的低4位，雙向、三態(tài)地址線。CPU控制總線時，它們是輸入信號，用來尋址要讀出或?qū)懭氲?237內(nèi)部寄存器，在DMA的有效周期內(nèi)，由它們輸出低4位地址。A7～A4：三態(tài)、輸出的地址線。在DMA周期，輸出低字節(jié)的高4位地址A7～A4。

DB7～DB0：雙向、三態(tài)的數(shù)據(jù)總線，連接到系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線上。在I/O讀期間，在編程條件下，輸出被允許?？梢詫?237內(nèi)部的地址寄存器、狀態(tài)寄存器、暫存寄存器和字節(jié)計(jì)數(shù)器中的內(nèi)容讀入CPU。當(dāng)CPU對8237的控制寄存器寫入控制字時，在一個I/O寫周期內(nèi)，這些輸出被禁止，數(shù)據(jù)從CPU寫入8237。在DMA操作期間，8237的高8位地址A7～A0，由DB7～DB0輸出，并由ADSTB信號將這些地址信息鎖存入地址鎖存器。若是進(jìn)行存儲器與存儲器之間的DMA操作，則在存儲器讀出期間，把從源存儲器讀出的數(shù)據(jù)輸入到8237的暫存器；而在存儲器寫入期間，數(shù)據(jù)再從暫存器輸出，然后寫入到新的目的存儲單元。ADSTB(AddressStrobe)：地址選通、輸出信號，高電平有效。用來將從DB7～DB0，輸出的高8位地址A7～A0選通到地址鎖存器。

AEN(AddressEnable)：地址允許、輸出信號，高電平有效。在DMA傳送期間，該信號有效時，禁止其他系統(tǒng)總線驅(qū)動器使用系統(tǒng)總線，同時允許地址鎖存器中的高8位地址信息送上系統(tǒng)地址總線。

IOR(I/ORead)：I/O讀，雙向、三態(tài)，低電平有效。CPU控制總線時由CPU發(fā)來，若該信號有效，表示CPU讀取8237內(nèi)部寄存器。在進(jìn)行DMA操作時由8237發(fā)出，采用讀取I/O設(shè)備的控制信號。LOW：I/O寫，雙向、三態(tài)，低電平有效。CPU控制總線時由CPU發(fā)來，CPU用它把數(shù)據(jù)寫入8237。而在DMA操作期間LOW是由8237發(fā)出，作為對I/O設(shè)備寫入的控制信號。

MEMR(MemoryRead)：存儲器讀，輸出，三態(tài)，低電平有效。在DMA操作期間MEMR是由8237發(fā)出，作為從選定的存儲單元讀出數(shù)據(jù)的控制信號。

MEMW(MemoryWrite)：存儲器寫，輸出，三態(tài)，低電平有效。在DMA操作期間,MEMW由8237發(fā)出，作為把數(shù)據(jù)寫入選定的存儲單元的控制信號。EOP(EndOfProcess)：過程結(jié)束，雙向，低電平有效。表示DMA服務(wù)結(jié)束。當(dāng)8237接收到有效的EOP信號時，就會終止當(dāng)前正在執(zhí)行的DMA操作。當(dāng)復(fù)位請求位時，如果是允許自動預(yù)置(自動再啟動方式)，就將該通道的基址寄存器和基字節(jié)計(jì)數(shù)器的內(nèi)容，重新寫入當(dāng)前的地址寄存器和當(dāng)前的字節(jié)計(jì)數(shù)器，并使屏蔽位保持不變。若不是自動預(yù)置方式，當(dāng)EOP有效時，將會使當(dāng)前運(yùn)行通道的狀態(tài)字中的屏蔽位和TC位置位，EOP可以由I/O設(shè)備輸入給8237。另外，當(dāng)8237的任一通道到達(dá)計(jì)數(shù)終點(diǎn)(TC)時，會產(chǎn)生低電平的輸出脈沖信號，此信號除了使8237終止DMA服務(wù)外，還可以送出作為中斷請求信號等使用。EOP信號不用時，必須通過上拉電阻接到高電平，以防止誤輸入。8237的操作時序如圖8.13所示。它有三種操作周期：空閑周期(IdelCycle)，即DMAC工作于被動狀態(tài)；請求應(yīng)答周期和DMA操作周期，即DMAC工作于主動狀態(tài)。每個操作周期又由若干狀態(tài)組成，每種狀態(tài)是一個時鐘周期。8237有SI、S0、S1、S2、S3、S4和Sw

共七種狀態(tài)。1.空閑周期SI8237在編程進(jìn)入允許DMA工作狀態(tài)之前或雖已編程進(jìn)入允許DMA，但無DMA請求時，8237處于空閑周期，執(zhí)行空閑狀態(tài)SI。在空閑周期內(nèi)，在每個SI的下降沿，8237采樣DREQI輸入信號，以確定是否有通道請求DMA服務(wù)。同時，還采樣CS輸入引腳，判斷CPU是否要對該8237芯片進(jìn)行編程寫入或讀出，若8237采樣到CS有效，只要HLDA是低電平，便可以進(jìn)入編程工作狀態(tài)(即CPU可以訪問8237)。CPU可以訪問由地址信息A3～A0尋址的內(nèi)部寄存器。

2.請求應(yīng)答周期S0

對8237編程完成后，在SI的下降沿采樣到DREQI有效后，8237將在SI的上升沿，向CPU輸出占有總線的請求信號HRQ，并向CPU請求DMA服務(wù)，進(jìn)入S0狀態(tài)，等待CPU同意讓出總線的回答信號HLDA，在HLDA有效之前的S0狀態(tài)中，CPU仍可以訪問8237。S0狀態(tài)是8237送出HRQ信號向CPU提出控制總線的請求信號HRQ后，到它接收到CPU發(fā)回同意讓出總線的HLDA有效信號之間的周期狀態(tài)。這是8237從被動狀態(tài)過渡到主動狀態(tài)的過渡時期。

3.DMA操作周期在HLDA到達(dá)之后，8237開始進(jìn)入數(shù)據(jù)傳送周期，開始以DMA方式傳送數(shù)據(jù)。一個完整的DMA傳送周期包括S1、S2、S3和S4共四個狀態(tài)。如果是慢速的存儲器或I/O設(shè)備，可以由READY引腳輸入低電平，當(dāng)S3結(jié)束的下降沿采樣READY為低電平時，就在S3和S4之間插入Sw狀態(tài)(見圖8.13(c))，以達(dá)到速度的匹配。對于存儲器至存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送，每傳送一個數(shù)據(jù)，需先從源存儲器單元讀出數(shù)據(jù)，將它存入暫存器，再寫入目的存儲器單元中，這樣傳送一個數(shù)據(jù)要八個狀態(tài)。因此，狀態(tài)標(biāo)注采用兩位數(shù)標(biāo)注，從存儲器讀出要用S11、S12、S13和S14共四個狀態(tài)，寫入存儲器用S21、S22、S23和S24共四個狀態(tài)(見圖8.13(b))。圖8.138237操作時序圖8.138237操作時序圖8.138237操作時序

一個DMA有效周期時序是：8237收到有效的HLDA響應(yīng)信號后進(jìn)入S1時，立即輸出地址允許信號AEN，這標(biāo)志著8237獲得了系統(tǒng)總線控制權(quán)和DMA周期的開始。8237在S1期間把高8位地址A15～A8送到數(shù)據(jù)總線DB7～DB0上，并發(fā)出ADSTB地址選通信號。在ADSTB的下降沿(在S2內(nèi))，把高8位地址存入地址鎖存器，再由地址允許信號AEN把高8位地址送上地址總線A15～A8。低8位地址A7～A0由8237直接或經(jīng)驅(qū)動器輸出到地址總線A7～A0上。對于一般的DMA在S2發(fā)出DACK信號，通知請求DMA服務(wù)的設(shè)備，即DACK信號可以用作I/O端口的片選信號。因?yàn)椋珼MAC從地址總線上發(fā)出的地址已被用來訪問存儲器。

若是M→I/O或I/O→M的傳送方式，對I/O設(shè)備的尋址就用DACK擔(dān)任。隨后，若是DMA讀操作，就發(fā)出存儲器讀命令MEMR；若是DMA寫操作，則發(fā)出I/O讀命令I(lǐng)OR讀取要傳送的數(shù)據(jù)。在S3狀態(tài)中8237發(fā)出寫命令，把讀出的數(shù)據(jù)寫入指定的地址單元。對于DMA讀操作發(fā)出I/O寫命令I(lǐng)OW；對于DMA寫操作發(fā)出MEMW命令。若編程選用擴(kuò)展寫命令，則寫入操作和讀出操作同時開始。在S2期間同時發(fā)出MEMR和LOW或IOR和MEMW。在存儲器和I/O設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)不讀入8237，而是保持在數(shù)據(jù)線DB7～DB0上。所以，寫周期一開始，即可從數(shù)據(jù)總線上直接寫到存儲器或I/O端口。也就是說DMA通道提供了直接傳送數(shù)據(jù)的功能。

對于存儲器至存儲器的傳送，不發(fā)I/O讀寫命令。每傳送一個字節(jié)用八個狀態(tài)，前四個狀態(tài)發(fā)出MEMR命令，把數(shù)據(jù)從源地址存儲器讀入8237暫存器，后四個狀態(tài)發(fā)出MEMW命令，把暫存器中的數(shù)據(jù)寫入目的存儲器。

對于成組或請求傳送，連續(xù)傳送多個數(shù)據(jù)，其地址碼是連續(xù)變化的。對于大多數(shù)傳送來說，保存在地址鎖存器中的高8位地址是不變的，只有當(dāng)?shù)?位地址發(fā)生進(jìn)位或借位時，才會改變高8位地址。為了加快傳送速度，只有對地址鎖存器中的A15～A8內(nèi)容進(jìn)行修改時，才去執(zhí)行S1狀態(tài)，否則可以不進(jìn)入S1狀態(tài)。在S3后沿，8237檢測READY輸入信號。若READY為低電平時，8237插入Sw狀態(tài)；若READY為高電平時，就進(jìn)入S4狀態(tài)。S4狀態(tài)結(jié)束后，8237已完成數(shù)據(jù)傳送，因此，對應(yīng)的讀寫信號變?yōu)闊o效。S4狀態(tài)結(jié)束后，若8237還處于DMA操作，即開始另一個DMA傳送周期。若DMA操作結(jié)束，則8237進(jìn)入空閑狀態(tài)SI。圖8.13(a)為DMA讀或DMA寫連續(xù)傳送兩個字節(jié)的時序，圖8.13(b)是存儲器至存儲器傳送操作時序，圖8.13(c)表示插入Sw的時序。

為了提高傳送速度，若存儲器或I/O響應(yīng)速度跟得上，可以采用壓縮時序的方式，如圖8.13(d)所示。由于S1是用來輸出高8位地址，而S3是用來延長讀取數(shù)據(jù)脈沖時間，因此可以省去S1和S3，而使數(shù)據(jù)傳送壓縮為兩個狀態(tài)。壓縮時序方式只用于連續(xù)數(shù)據(jù)塊傳送，即高8位地址不變的數(shù)據(jù)塊，若在數(shù)據(jù)傳送過程中高8位地址必須修改，則仍然需要出現(xiàn)S1狀態(tài)。8.3.48237DMAC的工作方式

1.工作模式在DMA傳輸時，每個通道有四種工作模式。

1)單次傳送方式單次傳送方式也稱單字節(jié)傳送方式。每次DMA操作只傳送一個字節(jié)，即DMAC發(fā)出一次占用總線請求，獲得總線控制權(quán)后，進(jìn)入DMA傳送方式，只傳送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)。然后，就自動把總線控制權(quán)交還給CPU，讓CPU至少占用一個總線周期。若還有通道請求信號，DMAC再重新向CPU發(fā)出總線請求，獲得總線控制權(quán)后，再傳送下一個字節(jié)數(shù)據(jù)。2)成組傳送方式成組傳送方式也稱為連續(xù)傳送或塊傳送方式。在進(jìn)入DMA操作后，就連續(xù)傳送數(shù)據(jù)，直到整塊數(shù)據(jù)全部傳送完畢。在字節(jié)計(jì)數(shù)器減到0或外界輸入終止信號EOP時，才會將總線控制權(quán)交還給CPU而退出DMA操作方式。如果在數(shù)據(jù)的傳送過程中，通道請求信號DREQ變?yōu)闊o效，DMAC也不會釋放總線，只是暫時停止數(shù)據(jù)的傳送，等到DREQ信號再次變?yōu)橛行Ш?，又繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，一直到整塊數(shù)據(jù)全部傳送結(jié)束，才會退出DMA方式，把總線控制權(quán)交還給CPU。3)請求傳送方式請求傳送方式也可以用于成塊數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)DMAC采樣到有效的通道請求信號DREQ時，向CPU發(fā)去請求占用總線的信號HRQ(在Z80DMA中是BUSRQ)，CPU讓出總線控制權(quán)后，就進(jìn)入DMA操作方式。當(dāng)DREQ變?yōu)闊o效后，DMAC立即停止DMA操作，釋放總線給CPU，當(dāng)DREQ再次變?yōu)橛行Ш螅旁俅伟l(fā)出HRQ請求信號，CPU再次讓出總線控制權(quán)，DMAC又重新控制總線，繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，數(shù)據(jù)塊傳送結(jié)束就把總線歸還給CPU。這種方式適用于準(zhǔn)備好傳送數(shù)據(jù)時，發(fā)出通道請求；若數(shù)據(jù)未準(zhǔn)備好，則通道請求無效，并將總線控制權(quán)暫時交還給CPU。

4)級聯(lián)方式級聯(lián)方式是用來擴(kuò)充DMA的通道數(shù)的。

2.操作類型根據(jù)傳輸過程中數(shù)據(jù)的流向，操作類型可以分為三種。

(1)DMA寫傳送(I/O設(shè)備→存儲器)。它是將I/O設(shè)備(如磁盤接口)傳送來的數(shù)據(jù)寫入存儲器。

(2)DMA讀傳送(存儲器→I/O設(shè)備)。它是將存儲器中的數(shù)據(jù)，寫入I/O設(shè)備。(3)DMA校驗(yàn)。該方式實(shí)際并不進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，只是完成某種校驗(yàn)過程。當(dāng)一個8237通道處于DMA校驗(yàn)方式時，它會像上述的傳送操作一樣，保持著它對系統(tǒng)總線的控制權(quán)，并且每個DMA周期都將響應(yīng)外部設(shè)備的DMA請求，只是不產(chǎn)生存儲器或I/O設(shè)備的讀/寫控制信號，這就阻止數(shù)據(jù)的傳送。但I(xiàn)/O設(shè)備可以使用這些響應(yīng)信號，在I/O設(shè)備內(nèi)部對一個指定數(shù)據(jù)塊的每一個字節(jié)進(jìn)行存取，以便進(jìn)行校驗(yàn)。上述的三種操作中，被操作的數(shù)據(jù)都不進(jìn)入DMAC內(nèi)部，而且校驗(yàn)方式也僅是由DMAC控制系統(tǒng)總線，并響應(yīng)I/O設(shè)備的DMA請求，在每個DMA周期向I/O設(shè)備發(fā)出一個DMA響應(yīng)信號DACK，I/O設(shè)備利用此信號作為片選信號，去進(jìn)行某種校驗(yàn)。

存儲器至存儲器傳送是8237進(jìn)行存儲器之間的數(shù)據(jù)塊傳送操作時，由通道0提供源地址，而由通道1提供目的地址和進(jìn)行字節(jié)計(jì)數(shù)。這種傳送需要兩個總線周期：第一個總線周期先將源地址內(nèi)的數(shù)據(jù)讀入8237的暫存器，在第二個總線周期再將暫存器內(nèi)容放到數(shù)據(jù)總線上，然后在寫信號的控制下，將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)寫入目的地址的存儲器單元。8.3.58237的控制字和編程

1.內(nèi)部寄存器

8237內(nèi)部寄存器如表8-4所示，現(xiàn)對這些寄存器的功能說明如下。

1)當(dāng)前地址寄存器每個通道都有一個16位長的當(dāng)前地址寄存器，當(dāng)進(jìn)行DMA傳送時，由它提供訪問存儲器的地址。在每次數(shù)據(jù)傳送之后，地址值自動增1或減1。CPU是以連續(xù)兩字節(jié)按先低字節(jié)后高字節(jié)順序，對其進(jìn)行寫入或讀出的。在自動預(yù)置方式下，當(dāng)EOP有效后，將它重新預(yù)置為初始值。2)當(dāng)前字節(jié)計(jì)數(shù)器每個通道都有一個16位長的當(dāng)前字節(jié)計(jì)數(shù)寄存器，它保存當(dāng)前DMA傳送的字節(jié)數(shù)。實(shí)際傳送的字節(jié)數(shù)比編程寫入的字節(jié)數(shù)大1，例如，編程的初始值為10，將導(dǎo)致傳送11個字節(jié)，每次傳送以后，字節(jié)計(jì)數(shù)器減1。當(dāng)其內(nèi)容從0減1而到達(dá)FFFFH時，將產(chǎn)生終止計(jì)數(shù)TC脈沖輸出。CPU訪問它是以連續(xù)兩字節(jié)對其讀出或?qū)懭氲?。在自動預(yù)置方式下，當(dāng)EOP有效后，將它重新預(yù)置成初始值。如果處在非自動預(yù)置方式，這個計(jì)數(shù)器在終止計(jì)數(shù)之后將為FFFFH。3)基地址寄存器和基字節(jié)計(jì)數(shù)器每個通道均有一個16位的基地址寄存器和一個16位的基字節(jié)計(jì)數(shù)寄存器，它們用來存放所對應(yīng)的地址寄存器和字節(jié)計(jì)數(shù)器的初始值。在編程時，這兩個寄存器由CPU以連續(xù)兩字節(jié)方式與對應(yīng)的當(dāng)前寄存器同時寫入，但它們的內(nèi)容不能讀出。在自動預(yù)置方式下，基地址寄存器的內(nèi)容被用來恢復(fù)當(dāng)前寄存器的初始值。

4)命令寄存器這是DMAC四個通道公用的一個8位寄存器，它控制8237的操作。編程時，CPU對它寫入命令字，而由復(fù)位信號(RESET)和軟件清除命令清除它。其命令格式如圖8.14所示。圖8.14命令寄存器格式(1)D0位為允許或禁止存儲器至存儲器的傳送操作。這種傳送方式能以最小的程序工作量和最短的時間，成組地將數(shù)據(jù)從存儲器的一個區(qū)域傳送到另一個區(qū)域。當(dāng)D0=1時，允許進(jìn)行存儲器至存儲器傳送，此時首先由通道發(fā)出DMA請求，規(guī)定通道用于從源地址讀入數(shù)據(jù)，然后將讀入的數(shù)據(jù)字節(jié)存放在暫存器中，由通道1把暫存器的數(shù)據(jù)字節(jié)寫到目的地址存儲單元。一次傳送后，兩通道對應(yīng)存儲器的地址各自進(jìn)行加1或減l。當(dāng)通道1的字節(jié)計(jì)數(shù)器為FFFFH時，產(chǎn)生終止計(jì)數(shù)TC脈沖，由EOP引腳輸出有效信號而結(jié)束DMA服務(wù)。每進(jìn)行一次存儲器至存儲器傳送，需要兩個總線周期，通道0的當(dāng)前地址寄存器用于存放源地址，通道1的當(dāng)前地址寄存器和當(dāng)前字節(jié)計(jì)數(shù)器提供目的地址和進(jìn)行計(jì)數(shù)。(2)D1位設(shè)定在存儲器至存儲器傳送過程中，源地址保持不變或按增1或減1改變。當(dāng)D1＝0時，傳送過程中源地址是變化的；當(dāng)D1＝1時，在整個傳送過程中，源地址保持不變，可以把同一源地址單元的同樣內(nèi)容的一個數(shù)據(jù)寫到一組目標(biāo)存儲單元中。當(dāng)D0=0時，不允許存儲器至存儲器傳送，則D1位無意義。

(3)D2位為允許或禁止DMAC工作的控制位。

(4)D3、D5為與時序有關(guān)的控制位，詳見后面的時序說明。(5)D4位用來設(shè)定通道優(yōu)先權(quán)。當(dāng)D4＝0時，為固定優(yōu)先權(quán)，即通道0優(yōu)先權(quán)最高，優(yōu)先權(quán)隨著通道號增大而遞減，通道3的優(yōu)先權(quán)最低；當(dāng)D4=1時，為循環(huán)優(yōu)先權(quán)，即在每次DMA操作周期(不是DMA請求，而是DMA服務(wù))之后，各個通道的優(yōu)先權(quán)都發(fā)生變化。剛剛服務(wù)過的通道其優(yōu)先權(quán)變?yōu)樽畹?，它后面的通道的?yōu)先權(quán)變?yōu)樽罡摺Ｑh(huán)優(yōu)先權(quán)結(jié)構(gòu)可以防止任何一個通道獨(dú)占DMA。所有DMA操作，最初都指定通道0具有最高優(yōu)先權(quán)，DMA的優(yōu)先權(quán)排序只是用來決定同時請求DMA服務(wù)的通道的響應(yīng)次序。任何一個通道一旦進(jìn)入DMA服務(wù)后，其他通道都不能打斷它的服務(wù)，這一點(diǎn)和中斷服務(wù)是不同的。

(6)D6、D7位用于設(shè)定DREQ和DACK的有效電平極性。5)模式寄存器每個通道都有一個8位的模式寄存器，它用于指定DMA的操作類型、傳送方式、是否自動預(yù)置和傳送一字節(jié)數(shù)據(jù)后地址是按增1還是減1規(guī)律修改。由CPU寫入工作方式寄存器的控制字。下面介紹各位的作用。

(1)命令字的D0、D1兩位是通道的尋址位，即根據(jù)D0、D1兩位的編碼，確定此命令字寫入的通道。其格式如圖8.15所示。(2)D3、D2位為當(dāng)D7、D6位不同時為1時，由這兩位的編碼設(shè)定通道的DMA的傳送類型：讀、寫和校驗(yàn)。注意：當(dāng)設(shè)定命令寄存器為存儲器至存儲器的傳送方式時，應(yīng)將工作方式寄存器D3、D2位設(shè)定為00。圖8.15模式寄存器格式(3)D4位設(shè)定通道是否進(jìn)行自動預(yù)置。當(dāng)選擇自動預(yù)置時，在接收到EOP信號后，該通道自動將基地址寄存器內(nèi)容裝入當(dāng)前地址寄存器，將基字節(jié)計(jì)數(shù)器內(nèi)容裝入當(dāng)前字節(jié)計(jì)數(shù)器，不必通過CPU對8237進(jìn)行初始化，就能執(zhí)行另一次DMA服務(wù)。

(4)D5位設(shè)定每傳送一字節(jié)數(shù)據(jù)后，存儲器地址是進(jìn)行加1還是減1修改。

(5)D7、D6這兩位的不同編碼決定該通道DMA傳送的方式。8237進(jìn)行DMA傳送時，有4種傳送方式：單次傳送、請求傳送、成組傳送和級聯(lián)方式。6)請求寄存器

DMA請求可以由I/O設(shè)備發(fā)出DREQ信號，也可以由軟件發(fā)出，請求寄存器就是用于由軟件來啟動DMA請求的設(shè)備。存儲器到存儲器傳送，必須利用軟件產(chǎn)生DMA請求，這種軟件請求DMA傳送操作必須是成組傳送方式。在傳送結(jié)束后，EOP信號變?yōu)橛行В撏ǖ缹?yīng)的請求標(biāo)志位被清“0”。因此，每用軟件執(zhí)行一次DMA請求傳送，都要對請求寄存器編程一次，RESET信號清除所有通道的請求寄存器。軟件請求位是不可屏蔽的，可以用請求控制字對各通道的請求標(biāo)志進(jìn)行置位和復(fù)位。該寄存器只能寫，不能讀。對某個通道的請求標(biāo)志進(jìn)行置位和復(fù)位的命令字格式如圖8.16所示。8237接收到請求命令時。按D1、D0確定的通道，對該通道的請求標(biāo)志執(zhí)行D2規(guī)定的操作。D2=1，將請求標(biāo)志位置1，D2＝0，將請求標(biāo)志位清0。例如，若用軟件請求通道，進(jìn)行DMA傳送，則向請求寄存器寫入04H控制字。圖8.16請求寄存器格式7)屏蔽寄存器

8237每個通道均有一屏蔽標(biāo)志位。當(dāng)某通道的屏蔽標(biāo)志位置1時，禁止該通道的DREQ請求，并禁止該通道DMA操作。若某個通道規(guī)定不自動預(yù)置，則當(dāng)該通道遇到有效的信號時，將對應(yīng)的屏蔽標(biāo)志位置1。RESET信號使所有通道的屏蔽標(biāo)志位都置1，各通道的屏蔽標(biāo)志位可以用命令進(jìn)行置位或復(fù)位。其命令字有兩種格式：第一種格式用來單獨(dú)為每個通道的屏蔽位進(jìn)行置位或復(fù)位，其中D2位為0表示清除屏蔽標(biāo)志，D2位為1表示置位屏蔽標(biāo)志，由D1和D0的編碼指出通道號。第二種格式是可以同時設(shè)定四個通道的屏蔽標(biāo)志。其命令字格式如圖8.17所示。圖8.17屏蔽寄存器格式

注意：這兩種不同格式的命令字，寫入DMAC時，有不同的口地址。寫單個通道屏蔽寄存器口地址為0AH，而同時寫四個通道的屏蔽位的口地址為0FH。例如，為了在每次對軟盤讀寫操作時，進(jìn)行DMA初始化，都必須解除通道2的屏蔽，以便響應(yīng)硬件DREQ2的DMA請求?？梢圆扇∠率鰞煞N方法之一來清除屏蔽寄存器：(1)使用單一通道屏蔽命令。例如：MOV AL，0000001B ；開放通道2OUT DMA+0AH，AL ；寫單一屏蔽寄存器(2)使用4位屏蔽命令。例如：MOV AL，00001011B ；僅開放通道2OUT DMA+0FH，AL ；寫入4位屏蔽命令8)狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器是一個8位寄存器，用來存放8237的狀態(tài)信息，它可以由CPU讀出。狀態(tài)寄存器的格式如圖8.18所示。它的低4位是表示四個通道的終止計(jì)數(shù)狀態(tài)，高4位是表示當(dāng)前是否存在DMA請求。只要通道到達(dá)計(jì)數(shù)終點(diǎn)TC，或外界送來有效的EOP信號，D3～D0相應(yīng)的位就被置1，RESET信號和CPU每次讀狀態(tài)后，都清除D3～D0位。D7～D4位表示通道3～0請求DMA服務(wù)，但未獲得響應(yīng)的狀態(tài)。圖8.18狀態(tài)寄存器格式9)暫存寄存器暫存寄存器為8位的寄存器，在存儲器至存儲器傳送期間，用來暫存從源地址單元讀出的數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)傳送完成時，所傳送的最后一個字節(jié)數(shù)據(jù)可以由CPU讀出。用RESET信號可以清除此暫存器中的數(shù)據(jù)。10)命令寄存器

8237設(shè)置了3條軟件命令，它們是：主清除、清除字節(jié)指示器和清除屏蔽寄存器。這些軟件命令只要對某個適當(dāng)?shù)刂愤M(jìn)行寫入操作就會自動執(zhí)行清除命令。

(1)主清除命令。該命令在8237內(nèi)部所起作用和硬件復(fù)位信號RESET相同。它執(zhí)行后能清除命令寄存器、狀態(tài)寄存器、各通道的請求標(biāo)志位、暫存寄存器和字節(jié)指示器，并把各通道的屏蔽標(biāo)志位置1，使8237進(jìn)入空閑周期。(2)清除字節(jié)指示器命令。字節(jié)指示器又稱為先/后觸發(fā)器或字節(jié)地址指示觸發(fā)器。因?yàn)?237各通道的地址和字節(jié)計(jì)數(shù)都是16位的，而8237每次只能接收一個字節(jié)數(shù)據(jù)，所以CPU訪問這些寄存器時，要用連續(xù)兩個字節(jié)進(jìn)行。當(dāng)字節(jié)指示器為0時，CPU訪問這些16位寄存器的低字節(jié)；當(dāng)字節(jié)指示器為1時，CPU訪問這些16位寄存器的高字節(jié)。為了按正確順序訪問16位寄存器的高字節(jié)和低字節(jié)，CPU首先使用清除字節(jié)指示器命令來清除字節(jié)指示器，使CPU第一次訪問16位寄存器的低字節(jié)，第一次訪問之后，字節(jié)指示器自動置1，而使CPU第二次訪問16位寄存器的高字節(jié)，然后字節(jié)指示器自動恢復(fù)為0狀態(tài)。(3)清除屏蔽寄存器命令。這條命令清除四個通道的全部屏蔽位，使各通道均能接受DMA請求。

2.內(nèi)部寄存器的尋址對8237內(nèi)部寄存器的尋址和執(zhí)行與控制器有關(guān)的軟件命令，都由芯片選擇信號CS、I/O讀信號IOR、I/O寫信號LOW和A3～A0地址線的不同狀態(tài)編碼來完成。CS＝0表示訪問該8237DMAC芯片；A3＝0表示訪問某個地址寄存器或字節(jié)計(jì)數(shù)器；A3=1表示訪問控制寄存器和狀態(tài)寄存器，或正在發(fā)出一條軟件命令。在CS和A3都為0時，CPU訪問某個地址寄存器或字節(jié)計(jì)數(shù)器，而用IOR為低電平或IOW為低電平表示是讀操作還是寫操作。對當(dāng)前地址寄存器進(jìn)行寫入的同時，也寫入基本地址寄存器；對當(dāng)前字節(jié)計(jì)數(shù)器進(jìn)行寫入的同時，也寫入基本字節(jié)計(jì)數(shù)器。在CS為0、A3為1時，CPU對狀態(tài)和控制寄存器的尋址及給出的軟件命令歸納如表8-5所示。每片8237占有16個口地址，暫存寄存器只能在存儲器至存儲器傳送完成后進(jìn)行讀出。并由A2～A1編碼狀態(tài)給出通道號，而A0=0表示訪問當(dāng)前地址寄存器，A0＝1表示訪問當(dāng)前字節(jié)計(jì)數(shù)器。表8-58237內(nèi)部寄存器口地址分配主片的I/O口地址(H)從片的I/O口地址(H)寄存器IN(讀，)OUT(寫，)0000C0CH0當(dāng)前地址寄存器CH0基址與當(dāng)前地址寄存器0010C2CH0當(dāng)前字節(jié)計(jì)數(shù)器CH0基字節(jié)計(jì)數(shù)器與當(dāng)前字節(jié)計(jì)數(shù)器0020C4CH1當(dāng)前地址寄存器CH1基址與當(dāng)前地址寄存器0030C6CH1當(dāng)前字節(jié)計(jì)數(shù)器CH1基字節(jié)計(jì)數(shù)器與當(dāng)前字節(jié)計(jì)數(shù)器0040C8CH2當(dāng)前地址寄存器CH2基址與當(dāng)前地址寄存器0050CACH2當(dāng)前字節(jié)計(jì)數(shù)器CH2基字節(jié)計(jì)數(shù)器與當(dāng)前字節(jié)計(jì)數(shù)器0060CCCH3當(dāng)前地址寄存器CH3基址與當(dāng)前地址寄存器0070CECH3當(dāng)前字節(jié)計(jì)數(shù)器CH3基字節(jié)計(jì)數(shù)器與當(dāng)前字節(jié)計(jì)數(shù)器續(xù)表8-58237內(nèi)部寄存器口地址分配0080D0狀態(tài)寄存器命令寄存器0090D2

請求寄存器00A0D4

寫屏蔽寄存器單個屏蔽位00B0D6

模式寄存器00C0D8

清除字節(jié)指令器(軟命令)00D0DA暫存寄存器主清除指令(軟命令)00E0DC

清除屏蔽寄存器(軟命令)00F0DE

寫全部屏蔽位寄存器3.8237的編程步驟(1)輸出主清除命令；(2)寫入基址與當(dāng)前地址寄存器；(3)寫入基址與當(dāng)前字節(jié)數(shù)地址寄存器；(4)寫入模式寄存器；(5)寫入屏蔽寄存器；(6)寫入命令寄存器；(7)寫入請求寄存器。

若有軟件請求，就寫入到指定通道，可以開始DMA傳送過程；若無軟件請求，則在完成(1)～(7)的編程后，由通道的DREQ啟動DMA傳送過程。例如，若要利用通道0，由外設(shè)(磁盤)輸入32KB的一個數(shù)據(jù)塊，傳送至內(nèi)存8000H開始的區(qū)域(增量傳送)，采用塊連續(xù)傳送的方式，傳送完不自動初始化，外設(shè)的DREQ和DACK都為高電平有效。編程首先要確定端口地址。地址的低4位用以區(qū)分8237的內(nèi)部寄存器，高4位地址A7～A4經(jīng)譯碼后，連至選片端CS，假定選中時高4位為5。(1)模式控制字D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D01 0 0 0 0 1 0 0(2)屏蔽字 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D00 0 0 0 0 0 0 0(3)命令字 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D01 0 1 0 0 0 0 0初始化程序如下：OUT 5DH，AL ；輸出主清除命令MOV AL，00HOUT 50H，AL ；輸出基址和當(dāng)前地址的低8位MOV AL，80HOUT 50H，AL ；輸出基址和當(dāng)前地址的高8位MOV AL，00HOUT 51H，ALMOV AL，80HOUT 51H，AL ；給基址和當(dāng)前字節(jié)數(shù)賦值MOV AL，84HOUT 5BH，AL ；輸出模式字MOV AL，00HOUT 5AH，AL ；輸出屏蔽字MOV AL，0A0HOUT 58H，AL ；輸出命令字8.3.6Intel8237的應(yīng)用舉例

1.8088訪問8237的尋址當(dāng)8237處于SI空閑狀態(tài)時，CPU可以對它進(jìn)行訪問，但是否訪問此8237，這要取決于它的片選引腳CS是否出現(xiàn)低電平。主系統(tǒng)板內(nèi)部的8237片選引腳CS，接到系統(tǒng)板中I/O接口電路的選中信號產(chǎn)生電路的譯碼輸出(Y0)DMACS上。由I/O接口片選信號產(chǎn)生電路，及I/O接口使用的I/O地址表可知，當(dāng)出現(xiàn)I/O地址為00H～1FH時，DMACS為低電平，此時8237被選中。若CPU執(zhí)行的是OUT指令，則IOW有效，CPU送上數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)，寫入8237內(nèi)部寄存器；

若8088執(zhí)行的是IN指令，則IOR有效，就會將8237內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)，送上數(shù)據(jù)總線并讀入CPU。8237內(nèi)部又有多個寄存器，CPU與8237傳送數(shù)據(jù)時，具體訪問哪個內(nèi)部寄存器，要取決于它的A3～A0地址信息的編碼狀態(tài)。8237的A3～A0接系統(tǒng)地址總線A3～A0，在系統(tǒng)的BIOS中，安排8237內(nèi)部寄存器使用的I/O端口地址為00H～0FH。DMAC內(nèi)部寄存器與I/O端口地址的對應(yīng)關(guān)系如表8-5所示。2.8237的初始化編程在進(jìn)行DMA傳輸之前，CPU要對8237進(jìn)行編程。DMA傳輸要涉及到RAM地址、數(shù)據(jù)塊長、操作方式和傳輸類型。因此，在每次DMA傳輸之前，除自動預(yù)置外，都必須對8237進(jìn)行一次初始化編程。若數(shù)據(jù)塊超過64KB界限時，還必須將頁面地址寫入頁面寄存器。IBM-PC/XT機(jī)中，BIOS對8237的初始化程序如下。

1)對8237A-5芯片的檢測程序在系統(tǒng)上電后，要對DMA系統(tǒng)進(jìn)行檢測，其主要內(nèi)容是對8237A-5芯片所有通道的16位寄存器進(jìn)行讀/寫測試，即對四個通道的八個16位寄存器先寫入全“1”后，讀出比較，再寫入全“0”后，讀出比較。若寫入內(nèi)容與讀出結(jié)果相等，則判斷芯片可用；否則，視為致命錯誤。下面是PC/XT機(jī)的DMA系統(tǒng)檢測的例程。；檢測前禁止DMA控制器工作MOV AL，04H ；命令字，禁止8237工作OUT DMA+08，AL ；命令字送命令寄存器OUT DMA+0DH，AL ；主清除DMA命令；對CH0～CH3作全“1”和全“0”檢測，設(shè)置當(dāng)前地址、寄存器和字節(jié)計(jì)數(shù)器MOV AL，0FFH ；對所有寄存器寫入FFHC16： MOV BL，AL ；為比較將AL存入BLMOV BH，ALMOV CH，8 ；置循環(huán)次數(shù)為8MOV DX，DMA ；DMA第一個寄存器地址裝入DXC17： OUTDX，AL ；數(shù)據(jù)寫入寄存器低8位OUT DX，AL；數(shù)據(jù)寫入寄存器高8位MOV AX，0101H；讀當(dāng)前寄存器前，寫入另一個值，破壞原內(nèi)容IN AL，DX；讀通道當(dāng)前地址寄存器低8位或當(dāng)前字節(jié)計(jì)數(shù)器低8位MOV AH，ALIN AL，DX；讀通道當(dāng)前地址寄存器高8位或當(dāng)前字計(jì)數(shù)器高8位CMP BX，AX；比較讀出數(shù)據(jù)和寫入數(shù)據(jù)JE C18 ；相同轉(zhuǎn)去修改