摘要：本文主要討論了以單片機(jī)為的振動信號采集系統(tǒng)的設(shè)計。介紹了幾種實現(xiàn)高速緩存的方法，以及利用Intel8237制作一個DMA控制器，詳細(xì)介紹了DMA傳輸?shù)脑砗蜅l件，解決了DMA控制器和外部接口電路的設(shè)計問題，并且給出了DMA控制器的初始化程序。

　　問題的提出

　　在設(shè)計以單片機(jī)為的振動信號采集與傳輸系統(tǒng)時，一般會遇到兩個問題。一個是采集的數(shù)據(jù)量，這個問題可以通過存儲空間的擴(kuò)展來解決。另一個問題就是采集數(shù)據(jù)的頻率受單片機(jī)執(zhí)行指令時間的限制的問題。一般的51系列單片機(jī)的晶振頻率為12MHz,一個機(jī)器周期為1uS，則從A/D讀出數(shù)據(jù)到外部RAM至少要4個機(jī)器周期，采樣頻率才250KHz。而振動信號的頻率達(dá)到幾百KHz,雖然A/D轉(zhuǎn)換器可采用高頻芯片，但從A/D把數(shù)據(jù)讀出在存儲到存儲器速度跟不上，如果進(jìn)行多路的數(shù)據(jù)采集則采集的頻率更低，這樣就不能普通的I/O方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。本文中將提供幾種方案來解決這個問題。終選擇了DMA方式，由于我們所選擇的芯片沒有帶DMA控制器，所以我們就另外設(shè)計了一個DMA控制器，以及它和外部設(shè)備的接口電路。

　　二、高速緩存的實現(xiàn)

　　構(gòu)成高速緩存的方法有三種：

　　種是ＦＩＦＯ（先進(jìn)先出）方式。ＦＩＦＯ存儲器就象數(shù)據(jù)管道一樣，數(shù)據(jù)從管道的一頭流入、從另一頭流出，先進(jìn)入的數(shù)據(jù)先流出。ＦＩＦＯ具有兩套數(shù)據(jù)線而無地址線，可在其一端寫操作而在另一端讀操作，數(shù)據(jù)在其中順序移動，因而能夠達(dá)到很高的傳輸速度和效率，且由于省去了地址線而有利于ＰＣＢ板布線。缺點是只能順序讀寫數(shù)據(jù)，因而顯得比較呆板，而且大容量的高速ＦＩＦＯ非常昂貴；

　　第二種是雙口ＲＡＭ方式。雙口ＲＡＭ具有兩套獨立的數(shù)據(jù)、地址和控制總線，因而可從兩個端口同時讀寫而互不干擾，并可將采樣數(shù)據(jù)從一個端口寫入而由ＤＳＰ從另一個端口讀出。雙口ＲＡＭ也能達(dá)到很高的傳輸速度，并且具有隨機(jī)存取的優(yōu)點，缺點是大容量的高速雙口ＲＡＭ很難得且價格昂貴；

　　第三種是采用DMA方式。DMA是一

　　種無需CPU的參與就可以讓外設(shè)與系統(tǒng)RAM之間進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布C(jī)制。使用DMA可以使系統(tǒng)CPU從實際的I/O數(shù)據(jù)傳輸過程中擺脫出來，從而大大提高系統(tǒng)的吞吐率?？紤]到我們系統(tǒng)要采集的是振動信號，一般的頻率也就幾百k赫茲，用前兩種方法是可以達(dá)到理想的效果，但從成本角度分析，這并不經(jīng)濟(jì)，所以這里我們選擇第三種DMA方式。

　　三．DMA控制器的設(shè)計 [1]

　　（一）DMA傳送的原理

　　對于中高速外設(shè)數(shù)據(jù)傳輸，一種有效的方式就是就是用DMA方式，主要就是用DMA控制器（簡稱DMAC,典型芯片是Intel 8237）,在外設(shè)和內(nèi)存之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這種傳輸由DMAC硬件完成，不需要CPU干預(yù)，因此可以達(dá)到很高的速度。在DMAC獲得總線的控制權(quán)之后，什么時候交還總線給CPU，完全有DMAC自己決定，這有兩中模式：塊傳輸模式和單字節(jié)傳輸模式。對于單字節(jié)傳輸模式，DMAC完成一字節(jié)傳輸后，釋放系統(tǒng)總線。但是，在釋放系統(tǒng)總線后，DMAC立即檢測接口電路有無DMA請求（檢測DREQ信號），如果有DMA請求，DMAC又立即向CPU發(fā)出總線請求。這種模式的特點是，DMA請求只傳輸一字節(jié)，然后釋放總線，因此，這種模式又稱為“總線竊取方式”，每次總是竊取一個總線周期，完成一字節(jié)傳輸，然后立即釋放總線。（CPU在總線空閑時響應(yīng)DMA請求）。對于塊傳輸模式，DMAC一旦獲得總線控制權(quán)，連續(xù)進(jìn)行多個字節(jié)的傳輸，只有當(dāng)“字節(jié)計數(shù)器”減為0，才釋放總線。從內(nèi)存到I/O的DMA塊傳輸過程如下：

　　(1)接口電路準(zhǔn)備好后，向DMAC發(fā)出DMA請求（DREQ）。

　　(2)DMAC向CPU發(fā)出總線請求（HOLD），如果無總線封鎖（LOCK），CPU在完成當(dāng)前總線周期后，向DMAC發(fā)出總線允許信號（HLDA），CPU放棄總線控制權(quán)，DMAC獲得總線控制權(quán)。

　　(3)DMAC把存儲器地址送至地址總線。

　　(4)DMAC向接口電路發(fā)出DMA請求應(yīng)答信號（DACK），以通知接口電路把數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)總線。

　　(5)接口電路送出數(shù)據(jù)，內(nèi)存單元獲得數(shù)據(jù)。

　　(6)DMAC內(nèi)部的“地址寄存器”加1，指向下一個內(nèi)存地址。

　　(7)DMAC內(nèi)部的“字節(jié)計數(shù)器”減1。

　　(8)若字節(jié)計數(shù)器的值不為0，回到第③步，否則，塊傳輸結(jié)束。

　?。ǘ〥MA傳輸?shù)臈l件

　　要實現(xiàn)DMA傳輸?shù)臈l件主要有兩方面，一個是DMA傳輸對外設(shè)接口電路的要求，一個是對DMA控制器的要求。具體如下：

　　1. DMA傳輸對外設(shè)接口電路的要求

　　(1)接口電路中的控制寄存器，必須有1位用來指出數(shù)據(jù)傳送方向，這樣，當(dāng)DMAC控制總線時，就能判別是進(jìn)行輸入還是輸出。

　　(2)接口電路中的控制寄存器，必須有1位用來啟動I/O操作，通過這一位的設(shè)置來啟動外部設(shè)備的操作。

　　(3)接口電路中的狀態(tài)寄存器，必須有1位用來指出設(shè)備當(dāng)前是否處于忙狀態(tài)。

　　2. DMA傳輸對DMA控制器的要求

　　(1)DMAC的控制寄存器中，專門有1位作為DMA允許位，用來控制是否響應(yīng)來自接口電路的DMA請求。

　　(2)DMAC的控制寄存器中，必須有1位用來確定DMA方向，以便決定發(fā)出讀信號還是寫信號。

　　(3)DMAC的控制寄存器中，還有1位用來決定進(jìn)行傳輸后，到底是放棄還是維持對總線的控制權(quán)。

　　(4)DMAC的狀態(tài)寄存器中，必須有1位表示數(shù)據(jù)塊傳輸是否結(jié)束。

　　綜上所示，對外設(shè)接口電路和DMA控制器的要求，可得DMA傳輸?shù)呐渲萌鐖D（１）所示：

　　圖（1）

　?。ㄈ〥MA控制器和接口電路的初始化程序[2，4]

　　為了使DMA過程能正確進(jìn)行，必須使用程序?qū)MA控制器和接口電路進(jìn)行初始化，初始化包括下列設(shè)置：

　　1.設(shè)置DMAC的字節(jié)計數(shù)器初值，以決定數(shù)據(jù)塊的長度。

　　2.設(shè)置DMAC的地址寄存器初值，以確定數(shù)據(jù)傳輸所用的存儲區(qū)首地址。

　　3.設(shè)置DMAC的控制寄存器，指出數(shù)據(jù)傳送方向、是否進(jìn)行塊傳輸，并啟動DMA操作。

　　4.設(shè)置接口電路的控制寄存器，指出數(shù)據(jù)傳輸方向，并啟動I/O操作。

　　設(shè)：（INT-interface接口，CON-control register控制寄存器，“輸入”指I/O存儲器，“輸出”指存儲器I/O）

　　接口狀態(tài)寄存器地址INTSTAT， bit2=1---I/O設(shè)備忙

　　接口控制寄存器地址INTCON， bit0=1為輸入，bit0=0為輸出

　　bit2=1---啟動I/O操作

　　DMAC控制寄存器地址DMACON

　　bit0=1為輸入，bit0=0為輸出

　　bit3=1,可接收DMA請求

　　bit6=0為字節(jié)傳輸模式，bit6=1為塊傳輸模式

　　DMAC字節(jié)計數(shù)器地址BYTE-REG

　　DMAC地址寄存器地址ADD-REG

　　I/O的數(shù)據(jù)塊傳輸初始化程序如下：

　　IDLE:  IN     AL , INTSTAT ;讀接口狀態(tài)

　　TEST  AL , 04H;  　是否忙（bit 2）

　　JNZ   IDLE;  bit2=1,忙

　　MOV   AX, COUNT;　　塊傳輸字節(jié)數(shù)

　　OUT    BYTE_REG, AX

　　MOV    AL, DMAC;　　DMAC原控制字

　　OR     AL,  49H;　　　塊傳輸允許接收DMA請求，輸入

　　OUT    DMACOM,  AL

　　MOV   AL,  INTC;　　接口電路的原控制字

　　OR     AL,  05H;　　　輸入，啟動操作

　　OUT    INTCOM,   AL

　　程序?qū)涌陔娐泛虳MAC初始化后，當(dāng)接口準(zhǔn)備就緒，向DMAC請求傳輸，DMAC再向CPU請求總線。當(dāng)DMAC獲得總線控制權(quán)后，按初始化程序規(guī)定的方式執(zhí)行傳輸。傳輸過程本身不需CPU干預(yù)。在DMAC傳輸完成后，發(fā)出結(jié)束信號EOP，CPU可以查詢EOP信號，以便進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。或者把EOP信號作為中斷請求信號，CPU在中斷處理程序中進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

　?。ㄋ模〥MA控制器的工作特點[1]

　　1.DMAC是一個接口電路，CPU可以通過其端口地址對DMAC進(jìn)行讀/寫操作，以便對DMAC進(jìn)行初始化或查詢其狀態(tài)。但它與一般的接口電路有顯著的不同，DMAC可以獲得系統(tǒng)總線控制權(quán)，當(dāng)其獲得系統(tǒng)總線控制權(quán)后，能提供一系列控制信號，像CPU一樣操縱外設(shè)和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸。即，DMAC有兩種工作狀態(tài)：

　　從模塊狀態(tài)（或稱被動態(tài)）：作為接口電路，受CPU控制

　　主模塊狀態(tài)（或稱主動態(tài)）：控制系統(tǒng)總線

　　2.DMAC控制內(nèi)存和外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸方式，與CPU的方式完全不同。

　　CPU：

　?、?通過執(zhí)行指令傳輸數(shù)據(jù)。

　　②.被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)必須通過CPU累加器（AL/AX）中轉(zhuǎn)。

　　DMAC：

　?、?通過硬件邏輯電路，用固定的順序地址信號和讀/寫信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

　　②.被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不送入DMAC內(nèi)部中轉(zhuǎn)，從“源”讀得的數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)總線上，然后立即開始寫操作，將數(shù)據(jù)寫入“目的”。

　　正是由于DMAC的上述數(shù)據(jù)傳輸特點，使DMA傳輸可以達(dá)到很高的速度，這也是DMA（Direct Memory Access直接內(nèi)存訪問）的含義。

　　四、結(jié)論

　　實驗證明，用DMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以把有限的單片機(jī)資源從煩瑣的數(shù)據(jù)傳輸中解放出來，使之在系統(tǒng)的其他方面發(fā)揮更大的功能。 而用Intel 8237設(shè)計的DMA控制器和外設(shè)的連接電路簡單，成本低廉，具有很高的實用價值。本文所提出的DMA模塊及其接口只要稍作修改，就可以在數(shù)據(jù)采集場合應(yīng)用。