ISA DMA

来自osdev
Zhang3（讨论 | 贡献）2022年3月10日 (四) 12:43的版本 （创建页面，内容为“;有关ISA DMA的要点有： * ISA DMA与PCI总线主控DMA不是一回事； * ISA DMA通道1、2和3可用于8位传输到ISA外围设备; * ISA DMA通道5、6和7可用于向ISA外围设备进行16位传输； * 传输不得跨越物理64KB边界，且不得大于64KB； * 传输必须是物理上连续的，并且只能针对最低的16 MB物理内存; * ISA DMA速度很慢——理论上是4.77 MB/秒，但由于ISA总线协议，速度更接近400 KB/秒…”）
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有关ISA DMA的要点有：
  • ISA DMA与PCI总线主控DMA不是一回事；
  • ISA DMA通道1、2和3可用于8位传输到ISA外围设备;
  • ISA DMA通道5、6和7可用于向ISA外围设备进行16位传输；
  • 传输不得跨越物理64KB边界，且不得大于64KB；
  • 传输必须是物理上连续的，并且只能针对最低的16 MB物理内存;
  • ISA DMA速度很慢——理论上是4.77 MB/秒，但由于ISA总线协议，速度更接近400 KB/秒；
  • ISA DMA释放了CPU资源，但给内存总线增加了极重的负载；
  • 目前还在使用ISA DMA的设备很少 -- 只有内部软盘、一些嵌入式声音芯片、一些并行端口和一些串行端口。

注：

  • Sound Blaster和Sound Blaster PRO仅支持8位DMA；
  • Sound Blaster16+两者都支持;
  • 软盘控制器仅支持8位DMA，并通过硬连线使用DMA通道2。

PC上有多种DMA

现代PCI控制器总是有自己的 “总线控制DMA（Busmastering DMA）”，这远远优于ISA DMA。 甚至USB软驱也通过PCI USB控制器使用PCI Busmastering发送DMA数据。 PCI Busmasters可以使用32位寻址访问内存。 较新的PCI卡开始支持64位寻址 (尽管目前大多数还不支持)。 通常PCI卡使用“scatter-gather”总线管理，其中单页用作数据页的目录。 这几乎完全克服了所有形式的DMA“仅限物理内存”的限制。


ISA DMA背景

与ISA本身一样，ISA DMA（“Industry Standard Architecture Direct Memory Access”）也是现代PC架构的早期产物。 它由内部软盘控制器、ISA声卡、ISA网卡和并行端口(如果它们支持ECP模式)使用。 尽管中断，键盘和计时器接口电路具有相关明显的用途，但ISA DMA控制器及其编程接口仍然基本停留在最初设计的20世纪70年代中。

DMA背后的想法是，你可以设置一个“通道”，地址指向内存，数据传输的长度。 一旦设置好，CPU就可以告诉拥有通道的外设独立去做它应该做的事情(例如，读取扇区)。 然后中央处理器可以去做别的事情。 当CPU不使用内存总线时，DMA芯片在外围设备和内存之间接管并传输数据，而不涉及CPU。 当传输完成时(例如，整个扇区已被发送到软盘驱动器)，DMA芯片随后发出完成的信号。 如果数据用完，DMA芯片甚至可以发出信号，从而使系统能够在同一DMA事务上定位要传输的下一个数据块。 DMA可以大大提高系统的速度，它是由Intel（设计DMA控制器芯片的人）从上世纪60年代的旧大型机上借来的，当时哪些大型机的所有设备都有DMA通道（CPU当时非常慢，且不全在一个芯片上）。

当然，所有好的想法都会有不利之处，虽然Intel不能真的为即将被描述的事情而受到指责，但IBM肯定要背这个锅。

一开始有PC，但是PC很慢。 IBM从天堂上往下看，说“装上DMA控制器——这应该会加快速度。” IBM的用心是正确的； 但是DMA的控制大脑总是在状况外，导致DMA控制器一直无法匹配系统需求。 PC/AT标准包含2块Intel 8237A DMA芯片，作为主/从芯片连接。 第二个芯片是Master，它的第一条线路(通道4)由第一个芯片Slave使用。 (这与中断控制器不同，中断控制中第一个芯片是Master。) 8237A是为旧的8080 8位处理器设计的，这可能是造成如此多DMA问题的主要原因。 IBM为其PC选择的8088和8086处理器相对于DMA控制器来说太先进了。

前面提到DMA控制器应该能够发出完成信号，或者甚至能发出请求需要更多信息。 不幸的是，这会使扩展槽太大，所以IBM切断了与DMA芯片的所有连接。 知道传输何时完成的唯一时间是外设发出中断信号。 这意味着所有使用ISA DMA通道的外围设备都被限制为不超过64 KB的传输，因为担心会扰乱DMA控制器。

即使在PC/AT中，IBM也开始绕过PC/XT中使用的ISA DMA，并对硬盘使用ATA PIO Mode。 正是因为上面概述的64KB限制，以及286处理器可以在6 MHz下执行16位事务的事实。 甚至ISA总线也可以以高达12 MHz的速度运行，远远快于DMA控制器运行的4.77 MHz。

扩展卡设计人员也对DMA的功能不足感到不满，尤其是依赖数据传输速度的“硬盘”扩展卡制造商。

为了绕过“板载”DMA控制器的限制，扩展卡制造商开始在他们的扩展卡上安装他们自己的DMA控制器。 它们的功能与 “机上” DMA完全相同，在处理器不看时 “窃取内存总线周期”，从而提高了整个系统的性能。 这些“ISA总线主控器”传输通常仍限于较低的16 MiB内存，但没有4.77 MHz的问题。 这一趋势通过PCI总线的创建继续发展，PCI总线也最终完全取代了PC中的ISA总线。

技术细节

每个8237 DMA芯片有4个DMA通道。 第一个芯片上有DMA0-DMA3，第二个芯片上有DMA4-DMA7。 第一个DMA控制器连接起来进行8位传输，而第二个连接起来进行16位传输。 在一些教程或其他wiki文章中，你有时会看到“第二个”DMA芯片（通道4到7）标记为“主”控制器，第一个（通道0到3）标记为“从”。 这非常令人困惑，这里不会再使用这些术语。

DMA通道0不可用，因为它在短时间内用于DRAM内存刷新，因此保留 (即使现代计算机不使用它)。 DMA通道4不能用于外围设备，因为它用于级联其他DMA控制器。

DMA控制器的内部地址寄存器只有16位。 为了扩展这一点，IBM在每个通道增加了一个 “外部（external）” “页面寄存器（page register）” 字节，允许访问16 MB的内存 (总共24位)。 如果DMA传输跨越64 KB的边界，内部地址寄存器将变为零，外部页面寄存器将“不”递增。 这时DMA控制器将用它在新地址找到的任何数据继续传输。

基于ISA的DMA控制器被指定为以4.77 MHz运行。没有例外。 如果系统的“前端”（内存）总线以133 MHz的频率运行，在传输每个ISA DMA字节/字时，它将被人为地降低到4.77 MHz。 这包括EISA和PS/2 32位控制器，即使这些控制器具有额外的页面寄存器(允许4GiB寻址空间)和执行32位传输的能力。 (这些DMA控制器仅存在于EISA和MCA系统上，这两个系统现已过时，此处不再进一步介绍。)== 编程细节 ==

16位问题

16位通道(5、6和7)具有特殊的寻址方案来处理它们递增地址的方式。 内部寄存器增加1，但每次访问之间需要将内存地址增加2。 解决方案是，CPU存储在DMA控制器中的“起始地址”需要右移1位。 在每次存储器访问时，该内部16位地址值递增1，然后取该值并将其左移一位(清除低位)，然后将其用作地址。 然后以正常方式附加外部 “页寄存器” 寻址字节。 重要的是要注意，内部地址的高位在向左移位时是“丢失的”——它不会被或运算到页面寄存器字节中。 因为地址寄存器将有效位绕回到零，而不会递增页面寄存器字节，这会阻止大于64 KB的DMA传输工作，即使它们在技术上对于16位通道是可行的。

物理内存与分页

分页内存映射完全由CPU控制。 DMA的全部意义在于绕过CPU。（译者注：也就不知道MMU分页表的存在） 因此，DMA不可以访问任何虚拟内存地址。 所有DMA始终仅在物理内存地址上完成。 ISA DMA的物理地址限制为16 MB。

由于DMA独立于CPU运行，因此重要的是，OS要为为DMA传输分配一个连续的物理内存块，以防止该内存用于任何其他目的或交换出去，直到DMA传输完成。

注：VM86模式不使用“物理”寻址。 内存地址是“假的”。 在VM86模式下，操作系统必须代表应用程序模拟任何DMA事务。

缓冲区大小

一张典型的1.44MB软盘可以在一次传输中轻松地传输36个扇区的数据。 这只有18 KB。 最大的内部软盘使用最差格式，一次可以传输84个扇区。 这仍然只有42KB。 Soundblaster卡使用64 KB缓冲区可以最佳运行。 从来没有必要尝试将缓冲区ISA DMA传输加倍，因为它们无论如何都非常慢。 最多有6个可用DMA通道，不需要为每个通道分配完整的64KB。 将所有这些放在一起，任何操作系统都应该能够轻松地从256 KB的池中分配所需的所有ISA DMA物理内存，甚至有时只需一半。

Flip-Flop

PC上的许多设备(例如ATA磁盘驱动器)使用8位IO端口来接收16位值。 这是使用flip-flop完成的。 设备首先需要低字节。 一旦接收到一个字节，flip-flop就会改变状态，然后器件就会等待高位字节。 当接收到高字节时，flip-flop再次改变状态，并且设备期望一个新的低字节。 通常，每个16位“寄存器”都有自己的Flip-Flop，但ISA DMA控制器在这方面存在问题。

在8237芯片上，只有一个Flip-Flop。 有8个16位寄存器。 最多可以有三个设备驱动程序同时竞争使用一个触发器。

这就产生了两个严重的问题。 一是 “争用问题”。 另一个问题是，很难确定触发器当前处于什么状态。 处理触发器状态问题的标准解决方案是在你每次想要使用Flip-Flop时将其重置为“低字节”状态，这样你就可以在发送字节之前确定它处于正确的状态。 “争用” 只有两种解决方案: 要么使用 锁，要么只允许存在一个ISA DMA驱动程序，则无法进行争用。

屏蔽DRQ(DMA Request)

设置DMA传输总是需要设置传输的两端。 也就是说，无论哪个外围设备拥有DMA通道，都需要被告知如何通过DMA传输数据块。 DMA控制器需要被告知内存地址、传输长度、传输“模式”和传输方向（读或写）。 因此，外围设备和内存两者中总有一个需要“先”完成--通常是外围设备在准备好传输第一个字节之前有很长的延迟时间。 如果首先设置外围设备，则在设置DMA控制器的过程中，它的第一个DMA请求信号 (通常称为DMA request signal-DRQ) 就可能会到达。

答案是在初始化DMA控制器时屏蔽特定信道的DRQ。 下面会介绍三种临时禁用通道的方式。

传输长度

存储在每个计数寄存器中的值始终是传输长度（字节或字）“-1”。 如果你忘了减去1，你在传输时会出错。

完成时中断

在PC机上实现时，DMA控制器不能发送中断。 希望在传输完成时，无论哪个外设“拥有”的每个DMA通道，都会向CPU发送中断。 但是，如果传输失败并出现错误，某些外围设备可能会 “不” 发送中断。 和其它类似场景一样，有超时策略很重要。

寄存器

主从DMA控制器非常相似，因此 (为了节省空间) 它们都已合并到下表中。 希望你不要为这种排版困惑。 注：有关通道5至7上的地址和计数寄存器，请参见上面的16位问题。

每个8237A都有18个寄存器，通过I/O端口总线寻址:

Channels 0-3 Channels 4-7
IO Port IO Port Size Read or Write Function
0x00 0xC0 Word W 起始地址寄存器通道0/4（不可用）
0x01 0xC2 Word W 计数寄存器通道0/4(不可用)
0x02 0xC4 Word W 开始地址寄存器通道1/5
0x03 0xC6 Word W 计数寄存器通道1/5
0x04 0xC8 Word W 起始地址寄存器通道2/6
0x05 0xCA Word W 计数寄存器通道2/6
0x06 0xCC Word W 起始地址寄存器通道3/7
0x07 0xCE Word W 计数寄存器通道3/7
0x08 0xD0 Byte R 状态寄存器
0x08 0xD0 Byte W 命令寄存器
0x09 0xD2 Byte W 请求寄存器
0x0A 0xD4 Byte W 单通道屏蔽寄存器
0x0B 0xD6 Byte W 模式寄存器
0x0C 0xD8 Byte W Flip-Flop复位寄存器
0x0D 0xDA Byte R 中间（Intermediate）寄存器
0x0D 0xDA Byte W 主复位寄存器
0x0E 0xDC Byte W 屏蔽复位寄存器
0x0F 0xDE Byte RW 多通道屏蔽寄存器 (文章中没有说明有读取操作，但可以读!)

每个通道还有一个外部R/W页地址寄存器，还要和24位传输存储器地址的上8位组成数据：

0x87 通道0页地址寄存器(不可用)
0x83 通道1页地址寄存器
0x81 通道2页面地址寄存器
0x82 通道3页地址寄存器
0x8F 通道 4页面地址寄存器 (不可用)
0x8B 通道5页面地址寄存器
0x89 通道6页地址寄存器
0x8A 通道7页面地址寄存器

有用的寄存器说明

单通道掩码寄存器0x0A和0xD4(写入)
Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0
MASK_ON SEL 1 SEL 0


这些寄存器仅用于在主DMA芯片或从DMA芯片上屏蔽（或取消屏蔽）单个通道的DRQ。 也就是说，如果你不想计算出所有其他通道的屏蔽状态，你可以一次屏蔽/取消屏蔽一个通道的DRQ。 使用SEL 0和1位选择通道，并使用MASK_ON位为其设置或清除屏蔽。 注意，由于级联关系，屏蔽DMA信道4将屏蔽7、6、5和4。


多通道掩码寄存器0x0F和0xDE(读和写)
Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0
MASK3 MASK2 MASK1 MASK0

将适当的位设置为0或1允许你取消屏蔽或屏蔽 (分别) 这些通道的DRQ。 使用此寄存器意味着你的驱动程序需要知道此时“所有”通道的所需掩码状态。 有几种方法可以做到这一点，这里可以考虑简单地读取该寄存器。 注意，由于级联，屏蔽DMA通道4将屏蔽7、6、5和4。


DMA模式寄存器0x0B和0xD6（写入）
Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0
MOD1 MOD0 DOWN AUTO TRA1 TRA0 SEL1 SEL0

设置该寄存器有点棘手，因为它在很大程度上取决于要为其编程DMA控制器的外设。 但是，外围设备的驱动程序是需要设置此寄存器的主体，它应该知道外围设备需要什么模式。

  • SEL0和SEL1选择要更改的通道；
  • TRA0和TRA1选择传输类型；
    • 0b00 运行控制器的自检;
    • 0b01 外围设备正在写入内存；
    • 0b10 外设正在从存储器中读取；
    • 0b11无效。
  • AUTO：设置此位时，在传输完成后，通道将自身重置为编程到其中的地址和计数值。 这对于软盘传输非常有用。 在磁道中读的时候-这些值可以设置好它们，以便立即再次读数据。 对于写操作，你只需要更改传输模式，而不需要更改地址。 某些扩展卡不支持自动初始化DMA，如Sound Blaster 1.x。 如果与auto-init DMA一起使用，这些设备将崩溃。 Sound Blaster 2.0及更高版本确实支持自动初始化DMA。
  • DOWN：设置时颠倒数据的内存顺序。 从高地址到低地址访问内存 (每次传输之间地址递减)。
  • MOD0和MOD1：基于DMA控制器所连接的外围设备，这可能会出现一些问题。 DMA控制器有几种模式：
    • 0b00 = 按需传输;
    • 0b01 = 单DMA传输（Single DMA Transfer）；
    • 0b10 = 块DMA传输（Block DMA Transfer）；
    • 0b11 = 级联模式 (用于级联另一个DMA控制器)。

单传输模式对外围设备来说是一种好方法，因为它不能同时缓存大量数据。 非82077AA软盘控制器、Sound Blaster和Sound Blaster Pro应使用单传输DMA模式。

块传输模式对于可以缓冲整个信息块的外围设备是很好的。 硬盘控制器板就是一个例子。

按需传输模式适用于间歇性启动和停止的外围设备，如磁带机。 驱动器可以读取整个信息负载，只要它可以，并暂停传输以移动到磁带的另一部分。 较新的软盘控制器也适用于按需传输，因为它们有FIFO缓冲区来存储读取和写入的信息（但需要正确设置FIFO）。 外围设备控制流量，由于信息流不中断，因此可以获得好的性能。 一些后来的计算机中的cpu通常具有缓存，并且可以在需求DMA传输期间继续不间断地工作。 较旧的计算机会在CPU等待内存总线可用时可能会减慢速度。

Flip-Flop复位寄存器0x0C和0xD8(写入)
主复位寄存器0x0D和0xDA (写)
屏蔽重置寄存器0x0E和0xDC（写入）

将需要的值发送到复位寄存器以激活它们。 主复位将Flip-Flop设置为低电平，清除状态，并将所有掩码位设置为ON。 屏蔽重置将关闭所有掩码位。

“必须在任何“16位事务之前发送复位触发器命令。（以前的维基文章中的会说明需要在真实硬件上进行验证，因为它很可能在模拟器上是错误的） 在DMA控制器收到第二个字节后，Flip-Flop “不重置”。


其他寄存器

状态寄存器0x08和0xD0(读取)
Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0
REQ3 REQ2 REQ1 REQ0 TC3 TC2 TC1 TC0
  • REQ3-0: 设置1时: DMA请求待处理。
  • TC3-0：设置1时：传输完成。
  • 读取该寄存器将清除TC位。

鉴于8237不能发送IRQ来告诉你它已经完成，这个寄存器不是很重要。 通常不需要轮询该寄存器，因为当事务完成时，外围设备（在DMA的另一端）将发送一个中断。


命令寄存器0x08和0xD0(写入)
Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0
DACKP DRQP EXTW PRIO COMP COND ADHE MMT

此寄存器也确实表现出了8237与PC硬件的不兼容程度。

  • 让我们从EXTW和COMP开始。 这些使DMA传输速度提高了25%，消除了一个时钟周期。 它能用吗？ 不能。
  • PRIO。 置零时，这允许DMA优先级轮换，从而允许共享数据总线的所有外设的自由。它能用吗？不能。
  • MMT和ADHE。 你是否知道IBM PC可以1981年进行内存到内存（memory to memory）的传输？ 没错，一种硬件精灵（hardware sprites）技术，从一个位置到另一个位置的硬件帧缓冲。它能用吗？不能。
  • COND。 Hooray是控制寄存器中唯一有用的部分。 设置此位将禁用DMA控制器。 这是在不屏蔽每个通道的情况下设置多个DMA通道的一种方式。
请求寄存器0x09和0xD2 (写)

用于内存到内存的传输和设置优先级轮换——绝对没有用。

；“Intermediate”寄存器0x0D和0xDA(读取) 从未在个人电脑上实现。没用。

示例

软盘DMA初始化

你只需要实现1到3个小例程即可执行DMA传输。 这个例子是软盘驱动器控制器（可能是最常见的，其次是SoundBlaster）。

注意：以下代码不是最佳代码，因为存在两次到同一IO端口的输出(在两个位置)。 这会导致IO端口总线上的额外延迟。 真正的代码应该将两个“out 0x4”和“out 0x5”调用与另一个端口的“out”分开。 

initialize_floppy_DMA:
; 将DMA通道2设置为在内存中传输来自0x1000-0x33ff的数据
; 分页必须将此 _物理_ 内存映射到其他地方，并且进行从分页到磁盘 _pin_ !
; 将计数器设置为0x23ff，即1.44 MiB软盘上的磁道长度-1（假设是512字节扇区）
; transfer length = counter + 1
    out 0x0a, 0x06      ; 屏蔽DMA通道2和0(假设0已屏蔽)
    out 0x0c, 0xFF      ; 重置主Flip-Flop
    out 0x04, 0         ; 地址为0（低字节）
    out 0x04, 0x10      ; 地址设为0x10(高字节)
    out 0x0c, 0xFF      ; 重置主Flip-Flop (再次!)
    out 0x05, 0xFF      ; 计数为0x23ff（低字节）
    out 0x05, 0x23      ; 计数为0x23ff(高字节)，
    out 0x81, 0         ; 外部页寄存器为0，总地址为00 10 00
    out 0x0a, 0x02      ; 解除DMA信道2的屏蔽
    ret

一旦你设置了起始地址和传输长度，如果你使用的是autoinit，则不需要再次管它。 一旦选择了读或写，你也不需要改变它。 要“更改”选择读取或写入，请使用模式寄存器。 

prepare_for_floppy_DMA_write:
    out 0x0a, 0x06      ; 屏蔽DMA通道2和0(假设0已屏蔽)
    out 0x0b, 0x5A      ; 01011010
                        ; single transfer, address increment, autoinit, write, channel2)
    out 0x0a, 0x02      ; 解除DMA通道2的掩码
    ret

prepare_for_floppy_DMA_read:
    out 0x0a, 0x06      ; 屏蔽DMA通道2和0(假设0已屏蔽)
    out 0x0b, 0x56      ; 01010110
                        ; single transfer, address increment, autoinit, read, channel2)
    out 0x0a, 0x02      ; 取消屏蔽DMA通道2
    ret

有些硬件以及VirtualPC不支持autoinit。 在上述例程中，你可能要将模式寄存器设置为0x4A和0x46。

上述例程使用single transfer模式来实现兼容性，但是在你的软盘驱动程序初始化期间，如果你检测到 “高级” 软盘控制器 (使用Version命令)，则应使用 “demand transfer” 来减少开销。

参考文献

相关文章

外部链接

de:DMA

取自“http://wiki.foofun.cn//index.php?title=ISA_DMA&oldid=818”