基于Linux嵌入式系統(tǒng)的ISA總線DMA的實(shí)現(xiàn)

　　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(jí)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?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/系統(tǒng)">系統(tǒng)DMAC完成實(shí)際的傳輸過程，所以它相對(duì)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(jí)聯(lián)方式相反，第一個(gè)DMAC被級(jí)聯(lián)到第二個(gè)DMAC上，通道4被用于DMAC級(jí)聯(lián)，因此 它對(duì)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(duì)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(huì)自動(dòng)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(huì)被自動(dòng)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(huì)自動(dòng)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(huì)被自動(dòng)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(hào)。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(qǐng)求寄存器(Request Register)

　　用于向各DMA通道發(fā)出DMA請(qǐng)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(qǐng)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(qǐng)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(duì)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