基于Linux的ISA總線DMA的實(shí)現(xiàn) - 全文

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　　1.DMA概述

　　DMA是外設(shè)與主存之間的一種數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。一般來說，外設(shè)與主存之間存在兩種數(shù)據(jù)傳輸方法：(1)Pragrammed I/O(PIO)方法，也即由CPU通過內(nèi)存讀寫指令或I/O指令來持續(xù)地讀寫外設(shè)的內(nèi)存單元(8位、16位或32位)，直到整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過程完成。 (2)DMA，即由DMA控制器(DMA Controller，簡稱DMAC)來完成整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過程。在此期間，CPU可以并發(fā)地執(zhí)行其他任務(wù)，當(dāng)DMA結(jié)束后，DMAC通過中斷通知CPU數(shù) 據(jù)傳輸已經(jīng)結(jié)束，然后由CPU執(zhí)行相應(yīng)的ISR進(jìn)行后處理。

　　DMA技術(shù)產(chǎn)生時(shí)正是ISA總線在PC中流行的時(shí)侯。因此，ISA卡的DMA數(shù)據(jù)傳輸是通過ISA總線控制芯片組中的兩個(gè)級聯(lián)8237 DMAC來實(shí)現(xiàn)的。這種DMA機(jī)制也稱為“標(biāo)準(zhǔn)DMA”(Standard DMA)。標(biāo)準(zhǔn)DMA有時(shí)也稱為“第三方DMA”(Third-Party DMA)，這是因?yàn)椋合到y(tǒng)DMAC完成實(shí)際的傳輸過程，所以它相對于傳輸過程的“前兩方”(傳輸?shù)陌l(fā)送者和接收者)來說是 “第三方”。

　　標(biāo)準(zhǔn)DMA技術(shù)主要有兩個(gè)缺點(diǎn)：(1)8237 DMAC的數(shù)據(jù)傳輸速度太慢，不能與更高速的總線(如PCI)配合使用。(2)兩個(gè)8237 DMAC一起只提供了8個(gè)DMA通道，這也成為了限制系統(tǒng)I/O吞吐率提升的瓶頸。

　　鑒于上述兩個(gè)原因，PCI總線體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一種成為“第一方DMA”(First-Party DMA)的DMA機(jī)制，也稱為“Bus Mastering”(總線主控)。在這種情況下，進(jìn)行傳輸?shù)腜CI卡必須取得系統(tǒng)總線的主控權(quán)后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)際的傳輸也不借助慢速 的ISA DMAC來進(jìn)行，而是由內(nèi)嵌在PCI卡中的DMA電路(比傳統(tǒng)的ISA DMAC要快)來完成。Bus Mastering方式的DMA可以讓PCI外設(shè)得到它們想要的傳輸帶寬，因此它比標(biāo)準(zhǔn)DMA功能滿足現(xiàn)代高性能外設(shè)的要求。

　　隨著計(jì)算機(jī)外設(shè)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代能提供更快傳輸速率的Ultra DMA(UDMA)也已經(jīng)被廣泛使用了。本為隨后的篇幅只討論ISA總線的標(biāo)準(zhǔn)DMA技術(shù)在Linux中的實(shí)現(xiàn)。記?。篒SA卡幾乎不使用Bus Mastering模式的DMA;而PCI卡只使用Bus Mastering模式的DMA，它從不使用標(biāo)準(zhǔn)DMA。

　　2.Intel 8237 DMAC

　　最初的IBM PC/XT中只有一個(gè)8237 DMAC，它提供了4個(gè)8位的DMA通道(DMA Channel 0-3)。從IBM AT開始，又增加了一個(gè)8237 DMAC(提供4個(gè)16位的DMA通道，DMA Channel 4-7)。兩個(gè)8237 DMAC一起為系統(tǒng)提供8個(gè)DMA通道。與中斷控制器8259的級聯(lián)方式相反，第一個(gè)DMAC被級聯(lián)到第二個(gè)DMAC上，通道4被用于DMAC級聯(lián)，因此 它對外設(shè)來說是不可用的。第一個(gè)DMAC也稱為“Slave DAMC”，第二個(gè)DMAC也稱為“Master DMAC”。

　　下面我們來詳細(xì)敘述一下Intel 8237這個(gè)DMAC的結(jié)構(gòu)。

　　每個(gè)8237 DMAC都提供4個(gè)DMA通道，每個(gè)DMA通道都有各自的寄存器，而8237本身也有一組控制寄存器，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中的每個(gè)DMA通道都有5個(gè)寄存器，分別是：當(dāng)前地址寄存器、當(dāng)前計(jì)數(shù)寄存器、地址寄存器(也稱為偏移寄存器)、計(jì)數(shù)寄存器和頁寄存器。其中，前兩個(gè)是8237的內(nèi)部寄存器，對外部是不可見的。

　　(1)當(dāng)前地址寄存器(Current Address Register)：每個(gè)DMA通道都有一個(gè)16位的當(dāng)前地址寄存器，表示一個(gè)DMA傳輸事務(wù)(Transfer Transaction)期間當(dāng)前DMA傳輸操作的DMA物理內(nèi)存地址。在每個(gè)DMA傳輸開始前，8237都會自動地用該通道的Address Register中的值來初始化這個(gè)寄存器;在傳輸事務(wù)期間的每次DMA傳輸操作之后該寄存器的值都會被自動地增加或減小。

　　(2)當(dāng)前計(jì)數(shù)寄存器(Current Count Register)：每個(gè)每個(gè)DMA通道都有一個(gè)16位的當(dāng)前計(jì)數(shù)寄存器，表示當(dāng)前DMA傳輸事務(wù)還剩下多少未傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。在每個(gè)DMA傳輸事務(wù)開始之 前，8237都會自動地用該通道的Count Register中的值來初始化這個(gè)寄存器。在傳輸事務(wù)期間的每次DMA傳輸操作之后該寄存器的值都會被自動地增加或減小(步長為1)。

　　(3)地址寄存器(Address Register)或偏移寄存器(Offset Register)：每個(gè)DMA通道都有一個(gè)16位的地址寄存器，表示系統(tǒng)RAM中的DMA緩沖區(qū)的起始位置在頁內(nèi)的偏移。

　　(4)計(jì)數(shù)寄存器(Count Register)：每個(gè)DMA通道都有一個(gè)16位的計(jì)數(shù)寄存器，表示DMA緩沖區(qū)的大小。

　　(5)頁寄存器(Page Register)：該寄存器定義了DMA緩沖區(qū)的起始位置所在物理頁的基地址，即頁號。頁寄存器有點(diǎn)類似于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)

　　這個(gè)8位的寄存器用來控制8237芯片的操作。其各位的定義如下圖所示：

　　(2)模式寄存器(Mode Register)

　　用于控制各DMA通道的傳輸模式，如下所示：

　　(3)請求寄存器(Request Register)

　　用于向各DMA通道發(fā)出DMA請求。各位的定義如下：

　　(4)屏蔽寄存器(Mask Register)

　　用來屏蔽某個(gè)DMA通道。當(dāng)一個(gè)DMA通道被屏蔽后，它就不能在服務(wù)于DMA請求，直到通道的屏蔽碼被清除。各位的定義如下：

　　上述屏蔽寄存器也稱為“單通道屏蔽寄存器”(Single Channel Mask Register)，因?yàn)樗淮沃荒芷帘我粋€(gè)通道。此外含有一個(gè)屏蔽寄存器，可以實(shí)現(xiàn)一次屏蔽所有4個(gè)DMA通道，如下：

　　(5)狀態(tài)寄存器(Status Register)

　　一個(gè)只讀的8位寄存器，表示各DMA通道的當(dāng)前狀態(tài)。比如：DMA通道是否正服務(wù)于一個(gè)DMA請求，或者某個(gè)DMA通道上的DMA傳輸事務(wù)已經(jīng)完成。

　　2.3 8237 DMAC的I/O端口地址

　　主、從8237 DMAC的各個(gè)寄存器都是編址在I/O端口空間的。而且其中有些I/O端口地址對于I/O讀、寫操作有不同的表示含義。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端口空間中的地址如下：

　　DMA Channel Page Register’sI/O Port Address

　　0 0x087

　　1 0x083

　　2 0x081

　　3 0x082

　　4 0x08f

　　5 0x08b

　　6 0x089

　　7 0x08a

　　注意兩點(diǎn)：

　　1. 各DMA通道的Address Register是一個(gè)16位的寄存器，但其對應(yīng)的I/O端口是8位寬，因此對這個(gè)寄存器的讀寫就需要兩次連續(xù)的I/O端口讀寫操作，低8位首先被發(fā)送，然后緊接著發(fā)送高8位。

　　2. 各DMA通道的Count Register：這也是一個(gè)16位寬的寄存器(無論對于8位DMA還是16位DMA)，但相對應(yīng)的I/O端口也是8位寬，因此讀寫這個(gè)寄存器同樣需要兩 次連續(xù)的I/O端口讀寫操作，而且同樣是先發(fā)送低8位，再發(fā)送高8位。往這個(gè)寄存器中寫入的值應(yīng)該是實(shí)際要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度減1后的值。在DMA傳輸事務(wù)期 間，這個(gè)寄存器中的值在每次DMA傳輸操作后都會被減1，因此讀取這個(gè)寄存器所得到的值將是當(dāng)前DMA事務(wù)所剩余的未傳輸數(shù)據(jù)長度減1后的值。當(dāng)DMA傳 輸事務(wù)結(jié)束時(shí)，該寄存器中的值應(yīng)該被置為0。

　　2.4 DMA通道的典型使用

　　在一個(gè)典型的PC機(jī)中，某些DMA通道通常被固定地用于一些PC機(jī)中的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，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 啟動一個(gè)DMA傳輸事務(wù)的步驟

　　要啟動一個(gè)DMA傳輸事務(wù)必須對8237進(jìn)行編程，其典型步驟如下：

　　1.通過CLI指令關(guān)閉中斷。

　　2.Disable那個(gè)將被用于此次DMA傳輸事務(wù)的DMA通道。

　　3.向Flip-Flop寄存器中寫入0值，以重置它。

　　4.設(shè)置Mode Register。

　　5.設(shè)置Page Register。

　　6.設(shè)置Address Register。

　　7.設(shè)置Count Register。

　　8.Enable那個(gè)將被用于此次DMA傳輸事務(wù)的DMA通道。

　　9.用STI指令開中斷。