ISA總線的DMA技術

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-part

　　y 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)