1.DMA概述

　　DMA是外設與主存之間的一種數據傳輸機制。一般來說，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通過內存讀寫指令或I/O指令來持續地讀寫外設的內存單元(8位、16位或32位)，直到整個數據傳輸過程完成。 (2)DMA，即由DMA控制器(DMA Controller，簡稱DMAC)來完成整個數據傳輸過程。在此期間，CPU可以并發地執行其他任務，當DMA結束后，DMAC通過中斷通知CPU數 據傳輸已經結束，然后由CPU執行相應的ISR進行后處理。

　　DMA技術產生時正是ISA總線在PC中流行的時侯。因此，ISA卡的DMA數據傳輸是通過ISA總線控制芯片組中的兩個級聯8237 DMAC來實現的。這種DMA機制也稱為“標準DMA”(standard DMA)。標準DMA有時也稱為“第三方DMA”(third-party DMA)，這是因為：系統DMAC完成實際的傳輸過程，所以它相對于傳輸過程的“前兩方”(傳輸的發送者和接收者)來說是 “第三方”。

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

　　鑒于上述兩個原因，PCI總線體系結構設計一種成為“第一方DMA”(first-party DMA)的DMA機制，也稱為“Bus Mastering”(總線主控)。在這種情況下，進行傳輸的PCI卡必須取得系統總線的主控權后才能進行數據傳輸。實際的傳輸也不借助慢速 的ISA DMAC來進行，而是由內嵌在PCI卡中的DMA電路(比傳統的ISA DMAC要快)來完成。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功能滿足現代高性能外設的要求。

　　隨著計算機外設技術的不斷發展，現代能提供更快傳輸速率的Ultra DMA(UDMA)也已經被廣泛使用了。本為隨后的篇幅只討論ISA總線的標準DMA技術在Linux中的實現。記住：ISA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8237 DMAC，它提供了4個8位的DMA通道(DMA channel 0-3)。從IBM AT開始，又增加了一個8237 DMAC(提供4個16位的DMA通道，DMA channel 4-7)。兩個8237 DMAC一起為系統提供8個DMA通道。與中斷控制器8259的級聯方式相反，第一個DMAC被級聯到第二個DMAC上，通道4被用于DMAC級聯，因此 它對外設來說是不可用的。第一個DMAC也稱為“slave DAMC”，第二個DMAC也稱為“Master DMAC”。

　　下面我們來詳細敘述一下Intel 8237這個DMAC的結構。

　　每個8237 DMAC都提供4個DMA通道，每個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DMA通道都有5個寄存器，分別是：當前地址寄存器、當前計數寄存器、地址寄存器(也稱為偏移寄存器)、計數寄存器和頁寄存器。其中，前兩個是8237的內部寄存器，對外部是不可見的。

　　(1)當前地址寄存器(Current Address Register)：每個DMA通道都有一個16位的當前地址寄存器，表示一個DMA傳輸事務(Transfer Transaction)期間當前DMA傳輸操作的DMA物理內存地址。在每個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寄存器;在傳輸事務期間的每次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)當前計數寄存器(Current Count Register)：每個每個DMA通道都有一個16位的當前計數寄存器，表示當前DMA傳輸事務還剩下多少未傳輸的數據。在每個DMA傳輸事務開始之 前，8237都會自動地用該通道的Count Register中的值來初始化這個寄存器。在傳輸事務期間的每次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DMA通道都有一個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內的偏移。

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

　　(5)頁寄存器(Page Register)：該寄存器定義了DMA緩沖區的起始位置所在物理頁的基地址，即頁號。頁寄存器有點類似于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DMA通道。當一個DMA通道被屏蔽后，它就不能在服務于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)，因為它一次只能屏蔽一個通道。此外含有一個屏蔽寄存器，可以實現一次屏蔽所有4個DMA通道，如下：

　　(5)狀態寄存器(Status Register)

　　一個只讀的8位寄存器，表示各DMA通道的當前狀態。比如：DMA通道是否正服務于一個DMA請求，或者某個DMA通道上的DMA傳輸事務已經完成。

　　2.3 8237 DMAC的I/O端口地址

　　主、從8237 DMAC的各個寄存器都是編址在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：

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

　　2. 各DMA通道的Count Register：這也是一個16位寬的寄存器(無論對于8位DMA還是16位DMA)，但相對應的I/O端口也是8位寬，因此讀寫這個寄存器同樣需要兩 次連續的I/O端口讀寫操作，而且同樣是先發送低8位，再發送高8位。往這個寄存器中寫入的值應該是實際要傳輸的數據長度減1后的值。在DMA傳輸事務期 間，這個寄存器中的值在每次DMA傳輸操作后都會被減1，因此讀取這個寄存器所得到的值將是當前DMA事務所剩余的未傳輸數據長度減1后的值。當DMA傳 輸事務結束時，該寄存器中的值應該被置為0。

　　2.4 DMA通道的典型使用

　　在一個典型的PC機中，某些DMA通道通常被固定地用于一些PC機中的標準外設，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DMA傳輸事務的步驟

　　要啟動一個DMA傳輸事務必須對8237進行編程，其典型步驟如下：

　　1.通過CLI指令關閉中斷。

　　2.Disable那個將被用于此次DMA傳輸事務的DMA通道。

　　3.向Flip-Flop寄存器中寫入0值，以重置它。

　　4.設置Mode Register。

　　5.設置Page Register。

　　6.設置Address Register。

　　7.設置Count Register。

　　8.Enable那個將被用于此次DMA傳輸事務的DMA通道。

　　9.用STI指令開中斷。