基于Linux嵌入式系統的ISA總線(xiàn)DMA的實(shí)現

　　1.DMA概述

　　DMA是外設與主存之間的一種數據傳輸機制。一般來(lái)說(shuō)，外設與主存之間存在兩種數據傳輸方法：(1)Pragrammed I/O(PIO)方法，也即由CPU通過(guò)內存讀寫(xiě)指令或I/O指令來(lái)持續地讀寫(xiě)外設的內存單元(8位、16位或32位)，直到整個(gè)數據傳輸過(guò)程完成。 (2)DMA，即由DMA控制器(DMA Controller，簡(jiǎn)稱(chēng)DMAC)來(lái)完成整個(gè)數據傳輸過(guò)程。在此期間，CPU可以并發(fā)地執行其他任務(wù)，當DMA結束后，DMAC通過(guò)中斷通知CPU數 據傳輸已經(jīng)結束，然后由CPU執行相應的ISR進(jìn)行后處理。

　　DMA技術(shù)產(chǎn)生時(shí)正是ISA總線(xiàn)在PC中流行的時(shí)侯。因此，ISA卡的DMA數據傳輸是通過(guò)ISA總線(xiàn)控制芯片組中的兩個(gè)級聯(lián)8237 DMAC來(lái)實(shí)現的。這種DMA機制也稱(chēng)為“標準DMA”(standard DMA)。標準DMA有時(shí)也稱(chēng)為“第三方DMA”(third-party DMA)，這是因為：系統DMAC完成實(shí)際的傳輸過(guò)程，所以它相對于傳輸過(guò)程的“前兩方”(傳輸的發(fā)送者和接收者)來(lái)說(shuō)是 “第三方”。

　　標準DMA技術(shù)主要有兩個(gè)缺點(diǎn)：(1)8237 DMAC的數據傳輸速度太慢，不能與更高速的總線(xiàn)(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I/O吞吐率提升的瓶頸。

　　鑒于上述兩個(gè)原因，PCI總線(xiàn)體系結構設計一種成為“第一方DMA”(first-party DMA)的DMA機制，也稱(chēng)為“Bus Mastering”(總線(xiàn)主控)。在這種情況下，進(jìn)行傳輸的PCI卡必須取得系統總線(xiàn)的主控權后才能進(jìn)行數據傳輸。實(shí)際的傳輸也不借助慢速 的ISA DMAC來(lái)進(jìn)行，而是由內嵌在PCI卡中的DMA電路(比傳統的ISA DMAC要快)來(lái)完成。Bus Mastering方式的DMA可以讓PCI外設得到它們想要的傳輸帶寬，因此它比標準DMA功能滿(mǎn)足現代高性能外設的要求。

　　隨著(zhù)計算機外設技術(shù)的不斷發(fā)展，現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(xiàn)的標準DMA技術(shù)在Linux中的實(shí)現。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，它從不使用標準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(kāi)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 它對外設來(lái)說(shuō)是不可用的。第一個(gè)DMAC也稱(chēng)為“slave DAMC”，第二個(gè)DMAC也稱(chēng)為“Master DMAC”。

　　下面我們來(lái)詳細敘述一下Intel 8237這個(gè)DMAC的結構。

　　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：當前地址寄存器、當前計數寄存器、地址寄存器(也稱(chēng)為偏移寄存器)、計數寄存器和頁(yè)寄存器。其中，前兩個(gè)是8237的內部寄存器，對外部是不可見(jiàn)的。

　　(1)當前地址寄存器(Current Address Register)：每個(gè)DMA通道都有一個(gè)16位的當前地址寄存器，表示一個(gè)DMA傳輸事務(wù)(Transfer Transaction)期間當前DMA傳輸操作的DMA物理內存地址。在每個(gè)DMA傳輸開(kāi)始前，8237都會(huì )自動(dòng)地用該通道的Address Register中的值來(lái)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(huì )被自動(dòng)地增加或減小。

　　(2)當前計數寄存器(Current Count Register)：每個(gè)每個(gè)DMA通道都有一個(gè)16位的當前計數寄存器，表示當前DMA傳輸事務(wù)還剩下多少未傳輸的數據。在每個(gè)DMA傳輸事務(wù)開(kāi)始之 前，8237都會(huì )自動(dòng)地用該通道的Count Register中的值來(lái)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(huì )被自動(dòng)地增加或減小(步長(cháng)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RAM中的DMA緩沖區的起始位置在頁(yè)內的偏移。

　　(4)計數寄存器(Count Register)：每個(gè)DMA通道都有一個(gè)16位的計數寄存器，表示DMA緩沖區的大小。

　　(5)頁(yè)寄存器(Page Register)：該寄存器定義了DMA緩沖區的起始位置所在物理頁(yè)的基地址，即頁(yè)號。頁(yè)寄存器有點(diǎn)類(lèi)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(lái)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(lái)屏蔽某個(gè)DMA通道。當一個(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(chēng)為“單通道屏蔽寄存器”(Single Channel Mask Register)，因為它一次只能屏蔽一個(gè)通道。此外含有一個(gè)屏蔽寄存器，可以實(shí)現一次屏蔽所有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(xiě)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