L82C37A可编程DMA控制器 - 全文

　　摘要：叙述了L82C37A可编程DMA控制器的主要功能、制造工艺和测试，并对其基本电路及设计方法进行了简要介绍。

　　1　概述

　　L82C37A可编程DMA控制器是一个高性能的可编程直接存取控制器，可在没有CPU干预的情况下进行内存与外设之间的数据直接传输。在微机系统中，通过使用DMA操作可大大提高系统的单个或多个I/O装置的数据传输速率。

　　该电路采用2.0μm硅栅CMOS全离子注入工艺制造，集成度为13500管位，芯片面积为25.12mm2，采用DIP 40 PIN 陶瓷封装。

　　该电路具有以下特点：

　　与NMOS 82C37A兼容；

　　具有四个可编程的独立DMA通道，每个通道具有自动初始化能力；

　　能到存储器到存储器间的传输；

　　有四种基本工作方式和三种传输方式；

　　任意扩展DMA通道数；

　　每个通道有64k地址和64k字节记数空间；

　　数据最高传输速率可达4MB/秒；

　　低功耗静态CMOS设计，IDDSB=10μA；

　　与TTL兼容；

　　单5V电源工作；

　　工作频率8MHz；

　　工作温度范围-55℃～+125℃。

　　2　逻辑结构和功能

　　2.1　L82C37A主要功能

　　L82C37A主要功能有以下七点：

　　（1）该电路有四个独立DMA通道；

　　（2）每个通道的DMA请求都可分别允许和禁止；

　　（3）每个通道的DMA请求优先权具有固定方式和循环方式；

　　（4）每个通道一次传送的最大长度64k字节的数据，可在存储器与外设间进行传送，也可在存储器的两个区间进行传送；

　　（5）有四种DMA传输方式：①单字节传输方式；②数据块传输方式；③请求传输方式；④ 级连方式。在每种方式下，都能在接收外设的请求信号DREQ后，向外设发送响应信号DACK后就可以占用总线，进行DMA传送。每传送一个字节，修改一次地址指针，当规定传送的字节数送完时，发出终端计数脉冲TC，结束传送或重新初始化；

　　（6）允许外设用EOP信号结束DMA传送或重新初始化；

　　（7）L82C37A可以级联，任意扩展通道数。

　　2.2　L82C37A逻辑结构

　　L82C37A的逻辑功能较为复杂，其逻辑框图如图1所示。图中的通道部分只画出了一个通道的情况，即每个通道都有一个基地址寄存器（16位）、基字节数计数器（16位）、现行地址寄存器（16位）和现行字节数计数器（16位），每一个通道都有一个6位的模式寄存器，用以控制不同的工作模式。

　　图1　L82C37A逻辑框图

　　L82C37A的结构中包含了三个基本的控制逻辑块。

　　时序控制逻辑块：根据编程规定的DMA的工作模式，产生包括DMA请求、DMA传送及DMA结束所需要的内部时序和外部信号。

　　程序命令控制块：对在DMA请求服务之前，CPU编程对给定的命令字和模式控制字进行译码，以确定DMA服务的类型。

　　优先权编码逻辑：对同时有请求的通道进行优先权编码，确定哪个通道的优先权最高，优先权可以是固定的，也可以是循环的。

　　另外，L82C37A的数据引线都有三态缓冲器，因而可以占用也可以释放总线。

　　2.3　L82C37A的工作周期

　　L82C37A有两种主要的工作周期，即空闲周期和有效周期，每一个周期由若干个时钟周期组成。

　　（1）空闲周期

　　L82C37A在完成了一个DMA服务之后，若没有新的DMA请求，或在主清零或硬件复位后，将进入空闲周期执行SI状态。在每个时钟周期它都要对通道的请求线DREQ进行采样，在没收到DREQ前，它将始终处于SI态。

　　在此状态中，CPU可以查询其状态或对其进行编程。若 ，则CPU可以对其进行读写操作，可以对其基地址、基字节数、当前地址、当前字节数等寄存器进行读/写。此时，需通过数据总线和地址总线以及和来选择寄存器并改写数据。由于这四组寄存器均为16位，而数据总线是8位的，则由内部高/低位寄存器控制，将数据分成高8位和低8位，分两次写。另外还有些软件命令，不通过数据总线，仅由地址A0-A3和等信号的译码来设置。

　　（2）有效周期

　　当外设或CPU发出DMA请求时，将跳出SI状态进入DMA服务的第一状态S0。此时，虽收到SREQ并发出HRQ，但在收到CPU返回HLDA信号后，L82C37A才进入由S1-S3组成的工作状态，若外设的工作速度较慢，DMA传送不能在S4状态之前完成时，则可用READY线在S2或S3与S4之间插入SW状态，直到本次传输结束。SW状态是等待周期，主要是为适应慢速外设，以延长传输时间。

　　在存储器至存储器传输时，要作存储器读和写操作，所以每一次传输需要8个时钟周期，其中4个周期S11-S14完成存储器读，另外4个周期S21-S24完成存储器写操作。

　　2.4　L82C37A的工作模式

　　L82C37A在DMA传送时有四种工作模式：

　　（1）单字节传送方式

　　一次只传送一个字节，每次传输后，字节计数器减1，并修改地址，HQR变为无效，并释放系统总线，当字节减到0时，产生一个IC脉冲结束DMA传送或重新初始化。

　　在这种模式下，DACK有效前，DREQ必须始终保持有效。但是，如果DREQ的有效时间比单字节传输所需时间还长，那么，在传输完一个字节后，L82C37A首先释放总线，然后再产生一个DREQ，完成下一个字节的传送。

　　（2）块传送方式

　　一经DREQ启动，并在其发出响应信号DACK后，便进行连续的数据传输，直到字节计数器减到0，产生终端计数器脉冲TC，或由外部输入一个有效的 信号，传输才结束。

　　在这种方式下，DREQ信号仅需要维持到DACK有效，在数据传输完了之后，由程序决定是结束操作还是重新初始化。如果不需要自动初始化，则数据传送完，便自动停止操作，释放总线。

　　（3）请求传送方式

　　在这种方式下，L82C37A可连续地传送数据，直到产生终端计数脉冲TC，以表示要传送的数据传完。此时，DREQ无效，使传输结束。L82C37A释放总线，传输结束后，字节计数器和当前地址寄存器中，仍保持该通道传输结束前的最后一个值。只要外设准备好要传递的数据，并发出DREQ信号，则可继续传输。

　　（4）级联方式

　　这是为扩展通道数而设的一种工作方式。第二级的DRQ和HLDA信号与第一级的DREQ和DACK分别相连，第二级各片子的优先权和与其相连第一级的通道相对应。此时，第一级只起优先权网络的作用。除了由某一个二级的请求信号通过它向CPU输出HRQ信号外，并不输出任何其它信号。实际的传输操作则由二级片子完成。若需进一步扩展通道，则同样还可以级联三级等等。

　　2.5　L82C37A内部基本电路

　　（1）基地址、字节数、当前地址、字节数寄存器组电路

　　在器件中，基地址、当前地址、基字节数和当前字节数寄存器的电路形式基本相同，如图2所示。

　　图2　基地址（字节数）当前地址（字节数）寄存器

　　在图中，左半部分为基地址或基字节数寄存器，右半部分为当前地址或当前字节数寄存器，寄存器单元中数据的出入由IDS控制。在CPU对其进行写时，内总线上的数据，在IW控制下进入到寄存器，并写到寄存器中。

　　在图中看出，基地址和当前地址（基字节和当前字节数）寄存器，具有相同的初始值，因为它们是在同一时刻由同一控制信号写入的。

　　CPU对寄存器组的读操作却只限于当前地址和当前字节数寄存器。因为基地址和基字节数寄存器只写不读。图中IDS是通道寄存器选择线，由A0-A3译码形成，Q是复位线，由系统复位线RESET或主清零等软件命令控制。D和V是自动初始化控制线，当其有效时，其寄存器的内容被重新写入当前寄存器中。每完成一次传输地址和字节数都将被修改，由R线送到寄存器中。

　　（2）模式寄存器

　　L82C37A 内部每个通道都有一个6位的模式寄存器，其结构如图3所示。

　　图3　模式寄存器

　　该寄存器是确定工作模式的，这是一个D触发器，其输入/输出均与数据总线相连。在输入控制信号ME=1时，总线数据写入寄存器。ME=0时数据锁存。MS有效时，模式寄存器的数据送往相应控制的控制端。如果CPU查询模式寄存器则可使EMR有效，将其内容读到数据线上。

　　模式寄存器由A0-A3和D0、D1来选择，当A0-A3为1101，D0 D1为00时，则选中通道0的模式寄存器。此时CPU可以对其进行读/写操作。

　　在DMA控制器中，还有命令寄存器、状态寄存器、请求寄存器、屏蔽寄存器、暂存寄存器等。在此不赘述。

　　2.6　L82C37A版图设计

　　L82C37A的版图是采用2.0μm硅栅CMOS单层金属布线规则进行设计的。

　　主要的设计规则如下（单位：μm）：

　　（1）N/P管沟道长度　　　　　　2.0/2.5

　　（2）多晶硅最小条宽/间距　　　2.0/3.0

　　（3）多晶硅包孔　　　　　　　1.25

　　（4）多晶硅在场区出头　　　　2.0

　　（5）有源区最小宽/间距　　　　3.0/2.5

　　（6）P阱包N管有源　　　　　　3.0

　　（7）P阱距P管有源　　　　　　7.0

　　（8）P+包有源　　　　　　　　2.0

　　（9）孔最小尺寸　　　　　　　2.0×2.0

　　（10）铝最小宽/间距　　　　　4.0/4.0

　　（11）铝线包孔　　　　　　　　1.0

　　（12）钝化窗口尺寸　　　　　　100×100

　　L82C37A控制电路部分的版图均由标准单元电路版图构成，在版图完成之后，对版图进行了DRC、ERC、LVS检查，以确保其正确性。

　　2.7　L82C37A工艺研制

　　L82C37A采用2.0μm硅栅CMOS全离子注入工艺制造。衬底材料为N型硅，晶向为〈100〉，电阻率为6～9Ω.cm。

　　（1）工艺流程

　　选片→一次氧化→光刻P阱→P阱注入→P阱推进→预氧化→LPCVDSi3N4→光刻有源→P管场注入→光刻→N管场注入→场氧化→预栅氧化→沟道→调整注入→栅氧化→多晶硅淀积→多晶硅掺磷→光刻多晶→光刻 P+区→P+注入→光刻N+区→N+注入→淀积二氧化硅→源漏区推进→光刻电极孔→溅射Al-Si膜→光刻→合金→钝化→光刻→蒸金→中测→压焊→封装

　　（2）工艺参数和器件物理参数

　　一氧：100 nm

　　P阱结深：≥3.5μm

　　预氧：50nm

　　Si3N4：150nm

　　场氧：900nm

　　一栅：50nm

　　栅氧：450nm

　　多晶：400～450nm

　　掺磷：R□单晶≤8Ω/□ R□poly≤2.5Ω/□

　　LPSiO2:600 nm

　　Si-Al:1.4 μm

　　钝化（LPSiO2/PESi3N4）： 300/500 nm

　　VTN:0.6～0.9V

　　ΒVDSN≥16V

　　VNTL Al/Si≥16V

　　VTP:0.8～1.2V

　　ΒVDSP≥18V

　　2.8　测试

　　2.8.1　测试程序

　　L82C37A的工作方式比较复杂，时序要求比较繁琐，测试脉冲的调制也比较严格。对于不同的输入端，根据时序的要求，进行7种不同时序调制，并同时进行两次分级调制。对于I/O读和I/O写分别采用150ns和100ns的归零取反调制，地址线A0-A3采用双向的归零调制。对于数据总线D7-D0也采用归零调制。其它输入采用不归零调制。

　　2.8.2　测试码点

　　L82C37A由于功能比较复杂，时序要求又比较严格，测试码点的产生比较长。根据L82C37A的功能特性要求，分成4种不同类型的测试码点图形，有利于进行测试分析。

　　2.8.3　交、直流参数测试

　　L82C37A电路的交、直流参数测试是按照参数手册的交、直流参数要求进行测试的。

　　3　结束语

　　L82C37A电路在DIC-8032大型测试系统上完全按照手册要求，进行全功能、全参数测试。测试结果表明，各项参数指标均达到国外同类产品的性能参数规范，可替换使用。L82C37A能在-55℃～+125℃全温区、8MHz频率条件下可靠地工作，达到了用户要求，可批量生产.