Lucrarea nr. 8
 

Accesul direct la memorie

 
Introducere
Controller-ul DMA I8237
Accesul direct la memorie la calculatoarele PC/AT

 

Tema de laborator

1. Introducere

Accesul direct la memorie (DMA - Direct Memory Access) este folosit pentru transferurile rapide dintre dispozitivele de intrare/ieşire şi memorie fară intervenţia CPU. Accesul direct la memorie este folosit în driver-ele de floppy disk şi de hard disk, dar poate fi folosit şi la transferuri de la alte dispozitive de intrare sau ieşire (Sound Blaster, CD-ROM, plăci de reţea, etc) şi memorie. Transferuri DMA se pot face în ambele direcţii între memorie şi porturile de intrare/ieşire precum şi între două zone de memorie.

2. Controller-ul DMA I8237

Controller-ul de acces direct la memorie 8237 este un circuit de interfaţă cu periferia pentru sistemele cu microprocesoare. El este proiectat să îmbunătăţească performanţa sistemului permiţând dispozitivelor externe să transfere direct informaţia către sau de la memoria sistemului. Circuitul oferă şi posibilitatea de transfer memorie-memorie. Circuitul 8237 oferă o varietate largă de caracteristici programabile pentru a îmbunătăţi viteza transferurilor, optimizarea sistemului şi a permite reconfigurarea dinamică prin program. 8237 este proiectat să fie folosit împreună cu un registru extern de adrese pe 8 biţi (8282). Controller-ul 8237 conţine patru canale independente şi poate fi extins la orice număr de canale prin conectarea în cascadă a mai multor astfel de circuite (modul de conectare în cascadă va fi prezentat mai târziu).

Diagrama de timp pentru iniţierea unui transfer DMA şi acceptarea lui de către procesor este prezentată în figura 8.1.

Figura 8.1

Dintre registrele interne al lui 8237, cele folosite în programare sunt următoarele:

• Registrul de mascare (Controller 1 - port 00Ah; Controller 2 - port 0D4h):

Figura 8.2

Figura 8.3

Modul de transfer DMA poate fi:

1. transfer la cerere - în acest mod dispozitivul este programat să facă transferuri până când: contorul ajunge la 0 (TC - terminate count), sau apare o cerere externă de oprire a transferului (EOP - End of Process), sau se dezactivează DREQ. Astfel transferul poate continua până când dispozitivul de intrare/ieşire deservit de controller-ul DMA, şi-a epuizat datele;
2. transfer pe cuvânt (singular) - dispozitivul este programat a transfera doar un octet (sau cuvânt), după care cedă controlul procesorului; pentru un nou transfer trebuie să recâştige magistrala. Acest mod este folosit pentru dispozitivele care, datorită vitezei, nu pot transfera întregul bloc de date. Dispozitivul periferic va activa DREQ pentru fiecare cuvânt transferat. (Controller-ul de floppy disk foloseşte acest mod de transfer)
3. trensfer pe bloc - controller-ul este activat de DREQ şi efectuează transferuri până când contorul ajunge la zero (TC) sau apare o cerere externă de oprire a transferului (EOP). DREQ trebuie să rămână activ doar până controller-ul activează DACK;
4. modul în cascadă - Este folosit pentru a cupla în cascadă mai multe circuite 8237 pentru o expandare simplă a sistemului.

În cazul transferurilor pe bloc sau la cerere, odată ce controller-ul DMA a câştigat magistrala sistem, se transferă un bloc de date de până la 64Ko. Controller-ele de hard disk mai vechi, foloseau modul de transfer la cerere, dar, crescând viteza CPU-urilor, este mai eficient a fi folosit acesta în realizarea transferurilor cu hard disk-ul.

• Registrul indicator la nivel de octet (Controller 1 - port 00Ch; Controller 2 - port 0D8h): După o scriere în acest registru, prima scriere într-un registru pe 16 biţi se va face în octetul mai puţin semnificativ, iar următoarea scriere se va face în octetul mai semnificativ şamd.

• Registrul de comandă (Controller 1 - port 008h; Controller 2 - port 0D0h - scriere):

Figura 8.4

Pentru a muta un bloc de date dintr-o zonă de memorie în alta, cu un minim efort din partea procesorului, controller-ul 8237 include posibilitatea realizării transferurilor memorie-memorie. Prin setarea bitului 0 din registrul de comandă, canalele 0 şi 1 sunt folosite în transferul memorie-memorie, transfer iniţiat prin activarea soft a lui DREQ (prin registrul de iniţiere transfer) pentru canalul 0. Diagrama de timp pentru un transfer DMA este prezentată în figura de mai jos (figura 8.5):

Figura 8.5

• Registrul de stare (Controller 1 - port 008h; Controller 2 - port 0D0h - citire): 

Figura 8.6

• Registrul de iniţiere transfer (Controller 1 - port 009h; Controller 2 - port 0D2h):

Figura 8.7

3. Accesul direct la memorie la calculatoarele PC/AT

Calculatoarele compatibile IBM PC/AT folosesc pentru accesul direct la memorie două circuite 8237A conectate în cascadă (circuitul 8237A este identic cu 8237, doar că poate realiza transferuri DMA pe 16 biţi). Astfel PC-ul dispune de 8 canale DMA programabile, din care unul este folosit pentru conectarea celui de-al doilea controller în cascadă. În figura de mai jos (figura 8.8), este prezentată, la nivel de bloc, schema de conectare a celor două controller-e la microprocesor. O schemă detaliată este prezentată în Anexa .

Figura 8.8

În tabelul următor sunt specifică utilizarea canalelor DMA.

Tabelul 8.1

În continuare vom prezenta modul de programare a unui chip DMA. Când programatorul doreşte pornirea unui transfer DMA, trebuie să cunoască următoarele trei tipuri de informaţii:

Tabelul 8.2

În tabelul 8.2 au fost trecute adresele logice ale paginilor. O adresă logică este formată din un segment şi un offset (deplasament). Atât segmentul cât şi deplasamentul în cadrul segmentului sunt pe 16 biţi. Adresa fizică la 8086 şi în modul real la 80x86 este pe 20 biţi şi se obţine din adresa logică prin următoarea formulă:

Următoarea structură de date (definită în limbaj de asamblare) conţine cele trei elemente care definesc un transfer DMA:

dma_block	STRUC
	dma_page	db	?
	dma_offset	dw	?
	dma_length	dw	?
dma_block	ENDS

Pentru calculul paginii şi a deplasamentului în cadrul paginii (primii 4 biţi din adresa fizică reprezintă pagina iar următorii 16 biţi reprezintă deplasamentul), avem nevoie de o rutină care primeşte la intrare o adresă logică şi returnează adresa fizică calculată din cea logică.

calc_address	PROC	NEAR
; input : ax - segment
;	  dx - offset
; output: ax - page (first 4 bits)
;	  dx - offset (next 16bits)
		...
		RET
calc_address	ENDP

Lungimea length a blocului de transferat prin DMA se specifică controller-ului DMA prin valoarea length - 1. Deci dacă trimitem controller-ului o lungime 0 el va face un transfer pe un octet, iar dacă-i trimitem valoarea 0FFFFH, transferul va fi de 64K.

Tabelul 8.3

Deoarece controller-ului DMA i se pot trimite doar cuvinte pe 8 biţi, cuvintele pe 16 biţi se trimit prin două scrieri succesive la acelaşi port, prima data se scrie octetul mai puţin semnificativ iar apoi octetul mai semnificativ.

Zona de date a programului va conţine:

; Definirea unui tip de date structura ce contine informatiile necesare unui transfer DMA
dma_block	STRUC
	dma_page	db	?
	dma_offset	dw	?
	dma_length	dw	?
dma_block	ENDS

; Declararea a 8 variabile de tipul dma_block pentru cele 8 canale DMA
dma_data	dma_block	<,,>, <,,>, <,,>, <,,>, <,,>, <,,>, <,,>, <,,>

; Adresele de port ale registrelor de pagina pentru fiecare canal
dma_page	dw	087h, 083h, 081h, 082h, 08Fh, 08Bh, 089h, 08Ah

; Adresele de port ale registrelor de adresa pentru fiecare canal
dma_address	dw	000h, 002h, 004h, 006h, 0C0h, 0C4h, 0C8h, 0CCh

; Adresele de port ale registrelorde lungime pentru fiecare canal
dma_length	dw	001h, 003h, 005h, 007h, 0C2h, 0C6h, 0CAh, 0CEh 

; Adresele de port ale registrelor de mascare pentru fiecare controler 
dma_mask	dw	00Ah, 0D4h

; Adresele de port ale registrelor de mod pentru fiecare controler 
dma_mode	dw	00Bh, 0D6h

; Adresele de port ale registrelor de flip-flop pentru fiecare controler 
dma_flipflop	dw	00Ch, 0D8h

; Adresele de port ale registrelor de comanda pentru fiecare controler 
dma_command	dw	008h, 0D0h

; Adresele de port ale registrelor de stare pentru fiecare controler 
dma_status	dw	008h, 0D0h

; Adresele de port ale registrelor de initiere transfer pentru fiecare controler 
dma_request	dw	009h, 0D2h

Paşii necesari pentru programarea unui transfer DMA memorie-port sau port-memorie.

* rezerva spatiu in memorie pentru transfer;
* foloseste canalul DMA corespunzator dispozitivului extern cu care se lucreaza;
* dezactiveaza intreruperile;
* mascheaza canalul;
* initializeaza registrul flipflop;
* seteaza registrul de mod corespunzator transferului dorit
	- scriere in memorie: 45h
	- citire din memorie: 49h
* calculeaza adresa fizica pentru zona de memorie implicata in transfer;
* incarca registrul de pagina cu valoarea obtinuta pentru pagina;
* incarca registrul de adrese cu valoarea offset-ului;
* incarca registrul contor cu lungimea sirului de caractere;
* demascheaza canalul;
* valideaza intreruperile.

Paşii necesari pentru programarea unui transfer DMA memorie-memorie.

* rezerva spatiu in memorie pentru transfer;
* foloseste canalele DMA 0 si 1 pentru transferul memorie-memorie, canalul 0 folosit pentru citire 
  din memorie(din zona sursa) iar canalul 1 pentru scriere in memorie (in zona destinatie);
* dezactiveaza intreruperile;
* mascheaza canalele 0 si 1;
* initializeaza registrul flipflop;
* seteaza registrul de mod pentru canalul 0;
* seteaza registrul de mod pentru canalul 1;
* calculeaza adresa fizica pentru zona de memorie sursa;
* incarca registrul de pagina al canalului 0 cu valoarea obtinuta pentru pagina;
* incarca registrul de adrese al canalului 0 cu valoarea offset-ului;
* incarca registrul contor al canalului 0 cu lungimea sirului de caractere;
* calculeaza adresa fizica pentru memoria video;
* incarca registrul de pagina al canalului 1 cu valoarea obtinuta pentru pagina;
* incarca registrul de adrese al canalului 1 cu valoarea offset-ului;
* incarca registrul contor al canalului 1 cu lungimea sirului de caractere;
* seteaza registrul de comanda pentru transferul memorie-memorie;
* demascheaza canalul;
* valideaza intreruperil;
* initiaza transferul prin setarea unui bit in registrul de initiere, corespunzator canalului 0.

Tema de laborator

1. Să se realizeze un program în limbaj de asamblare care realizează un transfer DMA memorie-memorie. Se transferă un şir de caractere din segmentul de date al utilizatorului în memoria video.

2. Să se realizeze un program în limbaj de asamblare care realizează un transfer DMA între memorie şi placa de sunet, realizându-se, astfel, un program care trimite în fundal un set de date plăcii de sunet.