第四节 内存直接传送(DMA)
1、 问题的提出
中断方式较之查询方式来说，可以提高CPU的利用率和保证对外设响应的实时性，但对于高速外设（如磁盘、高速A/D等),中断方式不能满足数据传输速度的要求。因为，中断方式下，每次中断均需保存断点（返回地址）和现场（各寄存器的值，包括标志寄存器），中断返回时，要恢复断点和现场。同时，进入中断和从中断返回均使CPU指令队列被清除。所有这些原因，使得中断方式难以满足高速外设对传输速度的要求。 对于高速外设的数据传输，一种有效的方式是使用DMA方式，即：使用DMA控制器（简称DMAC，典型芯片是Intel 8237），在外设和内存之间直接进行数据块传输。这种传输由DMAC硬件完成，不需CPU的干预，因此可以达到较高的 速度，如Intel8237A(3MHz),传输速度可达1.5MB/S。
2、 DMA控制器的构成
（1） 基地址寄存器和当前地址寄存器。
（2） 字节计数器。
（3） 控制寄存器和状态寄存器。
（4）其他电路，如数据缓冲器、请求寄存器、屏蔽寄存器、读写电路等。
3、 DMA控制器的功能
① 当外设准备就绪，希望进行DMA传送时，向DMA控制器发出DMA请求信号（DRQ）。DMAC收到此信号后，向CPU发出总线请求信号（HOLD或RQ/GT）。
② CPU收到总线请求信号后，如果允许，则发出DMA响应信号（HLDA或RQ/GT）。此时，CPU便放弃对总线的控制，DMAC获得总线的控制权。（除非CPU正在执行总线封锁指令LOCK，CPU在完成当前总线操作后，会响应总线请求。区别：如果IF=1，CPU在执行完当前指令后，会响应INTR中断请求。一条指令可能含有多个总线周期）。
③ DMAC获得总线的控制权后，向地址总线发出地址信号，指出传送过程需使用的内存地址。为此，DMAC内部设有"地址寄存器"。在DMA操作过程中，每传送一字节数据，DMAC自动修改地址寄存器的值，以指向下一个内存地址。同时，DMAC获得总线的控制权后，向外设发出DMA应答信号 DACK ，该外设与内存之间进行DMA传送。
④ 在DMA传送期间，DMAC发出内存和外设的读/写信号。
⑤ 为了决定数据块传输的字节数，在DMAC内部必须有一个“字节计数器”。在开始时，由软件设置数据块的长度，在DMA传送过程中，每传送一字节，字节计数器减1，减为0时，该次DMA传输结束。
⑥ DMA过程结束时，DMAC向CPU发出结束信号（撤消HOLD请求），将总线控制权交还CPU。同时，DMAC发出EOP信号。
4、 DMA传送的方法
（1） 周期挪用。将CPU不访问存储器的总线周期挪用来进行DMA操作。
（2） 周期扩展。进行DMA传送时，使送给CPU的时钟周期加大，而送给DMAC和存储器的时钟周期不变。
（3） CPU停机。在进行DMA传送时CPU不工作。
DMA传送的方式：
（1） 块传输方式
DMAC一旦获得总线控制权，连续进行多个字节的传输，只有当“字节计数器”减为0，才释放总线。
（2）单字节传输方式
DMAC获得总线控制权后仅传送一字节就释放总线。
5、 DMAC编程 （1） DMAC和接口电路的初始化程序
为了使DMA过程能正确进行，必须使用程序对DMA控制器和接口电路进行初始化，初始化包括下列设置：
① 设置DMAC的字节计数器初值，以决定数据块的长度。
② 设置DMAC的地址寄存器初值，以确定数据传输所用的存储区首地址。
③ 设置DMAC的控制寄存器，指出数据传送方向、是否进行块传输，并启动DMA操作。
④ 设置接口电路的控制寄存器，指出数据传输方向，并启动I/O操作。
设：（INT-interface接口，CON-control register控制寄存器，“输入”指I/O->存储器，“输出”指存储器->I/O）接口状态寄存器地址INTSTAT， bit2=1---I/O设备忙
接口控制寄存器地址INTCON， bit0=1为输入，bit0=0为输出
bit2=1---启动I/O操作
DMAC控制寄存器地址DMACON
bit0=1为输入，bit0=0为输出
bit3=1,可接收DMA请求
bit6=0为字节传输模式，bit6=1为块传输模式
DMAC字节计数器地址BYTE-REG
DMAC地址寄存器地址ADD-REG
存储器->I/O的数据块传输初始化程序为：
IDLE: IN AL, INTSTAT ；读接口状态
TEST AL, 04H ；是否忙（bit2）
JNZ IDLE ；bit2=1，忙
MOV AX, COUNT ；块传输字节数
OUT BYTE_REG, AX
LEA AX, BUFFER ；块传输内存首地址
OUT ADD_REG, AX
MOV AL, DMAC ；DMAC原控制字
OR AL, 49H ；块传输、允许接收DMA请求、输入
OUT DMACON, AL
MOV AL, INTC ；接口电路的原控制字
OR AL, 05H ；输入，启动操作
OUT INTCON, AL
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程序对接口电路和DMAC初始化后，当接口准备就绪，向DMAC请求传输，DMAC再向CPU请求总线。当DMAC获得总线控制权后，按初始化程序规定的方式执行传输。传输过程本身不需CPU干预。在DMAC传输完成后，发出结束信号EOP ，CPU可以查询EOP信号，以便进行后续数据处理。或者把EOP信号作为中断请求信号，CPU在中断处理程序中进行后续数据处理。
6、 DMA控制器的工作特点
（1） DMAC是一个接口电路，CPU可以通过其端口地址对DMAC进行读/写操作，以便对DMAC进行初始化或查询其状态。但它与一般的接口电路有显著的不同，DMAC可以获得系统总线控制权，当其获得系统总线控制权后，能提供一系列控制信号，像CPU一样操纵外设和内存之间的数据传输。即，DMAC有两种工作状态：
从模块状态（或称被动态）：作为接口电路，受CPU控制
主模块状态（或称主动态）：控制系统总线
（2） DMAC控制内存和外设的数据传输方式，与CPU的方式完全不同。
CPU：
① 通过执行指令传输数据。
② 被传输的数据必须通过CPU累加器（AL/AX）中转。
DMAC：
① 通过硬件逻辑电路，用固定的顺序地址信号和读/写信号进行数据传输。
② 被传输的数据不送入DMAC内部中转，从“源”读得的数据保存在数据总线上，然后立即开始写操作，将数据写入“目的”。
正是由于DMAC的上述数据传输特点,使DMA传输可以达到很高的速度,这也是DMA（Direct Memory Access直接内存访问)的含义.