基于Linux的ISA总线DMA的实现 - 全文

 

　　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。

　　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。