L82C37A可編程DMA控制器 - 全文

　　摘要：敘述了L82C37A可編程DMA控制器的主要功能、制造工藝和測試，并對(duì)其基本電路及設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了簡要介紹。

　　1　概述

　　L82C37A可編程DMA控制器是一個(gè)高性能的可編程直接存取控制器，可在沒有CPU干預(yù)的情況下進(jìn)行內(nèi)存與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)直接傳輸。在微機(jī)系統(tǒng)中，通過使用DMA操作可大大提高系統(tǒng)的單個(gè)或多個(gè)I/O裝置的數(shù)據(jù)傳輸速率。

　　該電路采用2.0μm硅柵CMOS全離子注入工藝制造，集成度為13500管位，芯片面積為25.12mm2，采用DIP 40 PIN 陶瓷封裝。

　　該電路具有以下特點(diǎn)：

　　與NMOS 82C37A兼容；

　　具有四個(gè)可編程的獨(dú)立DMA通道，每個(gè)通道具有自動(dòng)初始化能力；

　　能到存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器間的傳輸；

　　有四種基本工作方式和三種傳輸方式；

　　任意擴(kuò)展DMA通道數(shù)；

　　每個(gè)通道有64k地址和64k字節(jié)記數(shù)空間；

　　數(shù)據(jù)最高傳輸速率可達(dá)4MB/秒；

　　低功耗靜態(tài)CMOS設(shè)計(jì)，IDDSB=10μA；

　　與TTL兼容；

　　單5V電源工作；

　　工作頻率8MHz；

　　工作溫度范圍-55℃～+125℃。

　　2　邏輯結(jié)構(gòu)和功能

　　2.1　L82C37A主要功能

　　L82C37A主要功能有以下七點(diǎn)：

　　（1）該電路有四個(gè)獨(dú)立DMA通道；

　　（2）每個(gè)通道的DMA請(qǐng)求都可分別允許和禁止；

　?。?）每個(gè)通道的DMA請(qǐng)求優(yōu)先權(quán)具有固定方式和循環(huán)方式；

　　（4）每個(gè)通道一次傳送的最大長度64k字節(jié)的數(shù)據(jù)，可在存儲(chǔ)器與外設(shè)間進(jìn)行傳送，也可在存儲(chǔ)器的兩個(gè)區(qū)間進(jìn)行傳送；

　?。?）有四種DMA傳輸方式：①單字節(jié)傳輸方式；②數(shù)據(jù)塊傳輸方式；③請(qǐng)求傳輸方式；④ 級(jí)連方式。在每種方式下，都能在接收外設(shè)的請(qǐng)求信號(hào)DREQ后，向外設(shè)發(fā)送響應(yīng)信號(hào)DACK后就可以占用總線，進(jìn)行DMA傳送。每傳送一個(gè)字節(jié)，修改一次地址指針，當(dāng)規(guī)定傳送的字節(jié)數(shù)送完時(shí)，發(fā)出終端計(jì)數(shù)脈沖TC，結(jié)束傳送或重新初始化；

　?。?）允許外設(shè)用EOP信號(hào)結(jié)束DMA傳送或重新初始化；

　?。?）L82C37A可以級(jí)聯(lián)，任意擴(kuò)展通道數(shù)。

　　2.2　L82C37A邏輯結(jié)構(gòu)

　　L82C37A的邏輯功能較為復(fù)雜，其邏輯框圖如圖1所示。圖中的通道部分只畫出了一個(gè)通道的情況，即每個(gè)通道都有一個(gè)基地址寄存器（16位）、基字節(jié)數(shù)計(jì)數(shù)器（16位）、現(xiàn)行地址寄存器（16位）和現(xiàn)行字節(jié)數(shù)計(jì)數(shù)器（16位），每一個(gè)通道都有一個(gè)6位的模式寄存器，用以控制不同的工作模式。

　　圖1　L82C37A邏輯框圖

　　L82C37A的結(jié)構(gòu)中包含了三個(gè)基本的控制邏輯塊。

　　時(shí)序控制邏輯塊：根據(jù)編程規(guī)定的DMA的工作模式，產(chǎn)生包括DMA請(qǐng)求、DMA傳送及DMA結(jié)束所需要的內(nèi)部時(shí)序和外部信號(hào)。

　　程序命令控制塊：對(duì)在DMA請(qǐng)求服務(wù)之前，CPU編程對(duì)給定的命令字和模式控制字進(jìn)行譯碼，以確定DMA服務(wù)的類型。

　　優(yōu)先權(quán)編碼邏輯：對(duì)同時(shí)有請(qǐng)求的通道進(jìn)行優(yōu)先權(quán)編碼，確定哪個(gè)通道的優(yōu)先權(quán)最高，優(yōu)先權(quán)可以是固定的，也可以是循環(huán)的。

　　另外，L82C37A的數(shù)據(jù)引線都有三態(tài)緩沖器，因而可以占用也可以釋放總線。

　　2.3　L82C37A的工作周期

　　L82C37A有兩種主要的工作周期，即空閑周期和有效周期，每一個(gè)周期由若干個(gè)時(shí)鐘周期組成。

　?。?）空閑周期

　　L82C37A在完成了一個(gè)DMA服務(wù)之后，若沒有新的DMA請(qǐng)求，或在主清零或硬件復(fù)位后，將進(jìn)入空閑周期執(zhí)行SI狀態(tài)。在每個(gè)時(shí)鐘周期它都要對(duì)通道的請(qǐng)求線DREQ進(jìn)行采樣，在沒收到DREQ前，它將始終處于SI態(tài)。

　　在此狀態(tài)中，CPU可以查詢其狀態(tài)或?qū)ζ溥M(jìn)行編程。若 ，則CPU可以對(duì)其進(jìn)行讀寫操作，可以對(duì)其基地址、基字節(jié)數(shù)、當(dāng)前地址、當(dāng)前字節(jié)數(shù)等寄存器進(jìn)行讀/寫。此時(shí)，需通過數(shù)據(jù)總線和地址總線以及和來選擇寄存器并改寫數(shù)據(jù)。由于這四組寄存器均為16位，而數(shù)據(jù)總線是8位的，則由內(nèi)部高/低位寄存器控制，將數(shù)據(jù)分成高8位和低8位，分兩次寫。另外還有些軟件命令，不通過數(shù)據(jù)總線，僅由地址A0-A3和等信號(hào)的譯碼來設(shè)置。

　?。?）有效周期

　　當(dāng)外設(shè)或CPU發(fā)出DMA請(qǐng)求時(shí)，將跳出SI狀態(tài)進(jìn)入DMA服務(wù)的第一狀態(tài)S0。此時(shí)，雖收到SREQ并發(fā)出HRQ，但在收到CPU返回HLDA信號(hào)后，L82C37A才進(jìn)入由S1-S3組成的工作狀態(tài)，若外設(shè)的工作速度較慢，DMA傳送不能在S4狀態(tài)之前完成時(shí)，則可用READY線在S2或S3與S4之間插入SW狀態(tài)，直到本次傳輸結(jié)束。SW狀態(tài)是等待周期，主要是為適應(yīng)慢速外設(shè)，以延長傳輸時(shí)間。

　　在存儲(chǔ)器至存儲(chǔ)器傳輸時(shí)，要作存儲(chǔ)器讀和寫操作，所以每一次傳輸需要8個(gè)時(shí)鐘周期，其中4個(gè)周期S11-S14完成存儲(chǔ)器讀，另外4個(gè)周期S21-S24完成存儲(chǔ)器寫操作。

　　2.4　L82C37A的工作模式

　　L82C37A在DMA傳送時(shí)有四種工作模式：

　?。?）單字節(jié)傳送方式

　　一次只傳送一個(gè)字節(jié)，每次傳輸后，字節(jié)計(jì)數(shù)器減1，并修改地址，HQR變?yōu)闊o效，并釋放系統(tǒng)總線，當(dāng)字節(jié)減到0時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)IC脈沖結(jié)束DMA傳送或重新初始化。

　　在這種模式下，DACK有效前，DREQ必須始終保持有效。但是，如果DREQ的有效時(shí)間比單字節(jié)傳輸所需時(shí)間還長，那么，在傳輸完一個(gè)字節(jié)后，L82C37A首先釋放總線，然后再產(chǎn)生一個(gè)DREQ，完成下一個(gè)字節(jié)的傳送。

　?。?）塊傳送方式

　　一經(jīng)DREQ啟動(dòng)，并在其發(fā)出響應(yīng)信號(hào)DACK后，便進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸，直到字節(jié)計(jì)數(shù)器減到0，產(chǎn)生終端計(jì)數(shù)器脈沖TC，或由外部輸入一個(gè)有效的 信號(hào)，傳輸才結(jié)束。

　　在這種方式下，DREQ信號(hào)僅需要維持到DACK有效，在數(shù)據(jù)傳輸完了之后，由程序決定是結(jié)束操作還是重新初始化。如果不需要自動(dòng)初始化，則數(shù)據(jù)傳送完，便自動(dòng)停止操作，釋放總線。

　?。?）請(qǐng)求傳送方式

　　在這種方式下，L82C37A可連續(xù)地傳送數(shù)據(jù)，直到產(chǎn)生終端計(jì)數(shù)脈沖TC，以表示要傳送的數(shù)據(jù)傳完。此時(shí)，DREQ無效，使傳輸結(jié)束。L82C37A釋放總線，傳輸結(jié)束后，字節(jié)計(jì)數(shù)器和當(dāng)前地址寄存器中，仍保持該通道傳輸結(jié)束前的最后一個(gè)值。只要外設(shè)準(zhǔn)備好要傳遞的數(shù)據(jù)，并發(fā)出DREQ信號(hào)，則可繼續(xù)傳輸。

　?。?）級(jí)聯(lián)方式

　　這是為擴(kuò)展通道數(shù)而設(shè)的一種工作方式。第二級(jí)的DRQ和HLDA信號(hào)與第一級(jí)的DREQ和DACK分別相連，第二級(jí)各片子的優(yōu)先權(quán)和與其相連第一級(jí)的通道相對(duì)應(yīng)。此時(shí)，第一級(jí)只起優(yōu)先權(quán)網(wǎng)絡(luò)的作用。除了由某一個(gè)二級(jí)的請(qǐng)求信號(hào)通過它向CPU輸出HRQ信號(hào)外，并不輸出任何其它信號(hào)。實(shí)際的傳輸操作則由二級(jí)片子完成。若需進(jìn)一步擴(kuò)展通道，則同樣還可以級(jí)聯(lián)三級(jí)等等。

　　2.5　L82C37A內(nèi)部基本電路

　?。?）基地址、字節(jié)數(shù)、當(dāng)前地址、字節(jié)數(shù)寄存器組電路

　　在器件中，基地址、當(dāng)前地址、基字節(jié)數(shù)和當(dāng)前字節(jié)數(shù)寄存器的電路形式基本相同，如圖2所示。

　　圖2　基地址（字節(jié)數(shù)）當(dāng)前地址（字節(jié)數(shù)）寄存器

　　在圖中，左半部分為基地址或基字節(jié)數(shù)寄存器，右半部分為當(dāng)前地址或當(dāng)前字節(jié)數(shù)寄存器，寄存器單元中數(shù)據(jù)的出入由IDS控制。在CPU對(duì)其進(jìn)行寫時(shí)，內(nèi)總線上的數(shù)據(jù)，在IW控制下進(jìn)入到寄存器，并寫到寄存器中。

　　在圖中看出，基地址和當(dāng)前地址（基字節(jié)和當(dāng)前字節(jié)數(shù)）寄存器，具有相同的初始值，因?yàn)樗鼈兪窃谕粫r(shí)刻由同一控制信號(hào)寫入的。

　　CPU對(duì)寄存器組的讀操作卻只限于當(dāng)前地址和當(dāng)前字節(jié)數(shù)寄存器。因?yàn)榛刂泛突止?jié)數(shù)寄存器只寫不讀。圖中IDS是通道寄存器選擇線，由A0-A3譯碼形成，Q是復(fù)位線，由系統(tǒng)復(fù)位線RESET或主清零等軟件命令控制。D和V是自動(dòng)初始化控制線，當(dāng)其有效時(shí)，其寄存器的內(nèi)容被重新寫入當(dāng)前寄存器中。每完成一次傳輸?shù)刂泛妥止?jié)數(shù)都將被修改，由R線送到寄存器中。

　　（2）模式寄存器

　　L82C37A 內(nèi)部每個(gè)通道都有一個(gè)6位的模式寄存器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　圖3　模式寄存器

　　該寄存器是確定工作模式的，這是一個(gè)D觸發(fā)器，其輸入/輸出均與數(shù)據(jù)總線相連。在輸入控制信號(hào)ME=1時(shí)，總線數(shù)據(jù)寫入寄存器。ME=0時(shí)數(shù)據(jù)鎖存。MS有效時(shí)，模式寄存器的數(shù)據(jù)送往相應(yīng)控制的控制端。如果CPU查詢模式寄存器則可使EMR有效，將其內(nèi)容讀到數(shù)據(jù)線上。

　　模式寄存器由A0-A3和D0、D1來選擇，當(dāng)A0-A3為1101，D0 D1為00時(shí)，則選中通道0的模式寄存器。此時(shí)CPU可以對(duì)其進(jìn)行讀/寫操作。

　　在DMA控制器中，還有命令寄存器、狀態(tài)寄存器、請(qǐng)求寄存器、屏蔽寄存器、暫存寄存器等。在此不贅述。

　　2.6　L82C37A版圖設(shè)計(jì)

　　L82C37A的版圖是采用2.0μm硅柵CMOS單層金屬布線規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

　　主要的設(shè)計(jì)規(guī)則如下（單位：μm）：

　?。?）N/P管溝道長度　　　　　　2.0/2.5

　　（2）多晶硅最小條寬/間距　　　2.0/3.0

　?。?）多晶硅包孔　　　　　　　1.25

　　（4）多晶硅在場區(qū)出頭　　　　2.0

　?。?）有源區(qū)最小寬/間距　　　　3.0/2.5

　?。?）P阱包N管有源　　　　　　3.0

　?。?）P阱距P管有源　　　　　　7.0

　?。?）P+包有源　　　　　　　　2.0

　?。?）孔最小尺寸　　　　　　　2.0×2.0

　?。?0）鋁最小寬/間距　　　　　4.0/4.0

　　（11）鋁線包孔　　　　　　　　1.0

　　（12）鈍化窗口尺寸　　　　　　100×100

　　L82C37A控制電路部分的版圖均由標(biāo)準(zhǔn)單元電路版圖構(gòu)成，在版圖完成之后，對(duì)版圖進(jìn)行了DRC、ERC、LVS檢查，以確保其正確性。

　　2.7　L82C37A工藝研制

　　L82C37A采用2.0μm硅柵CMOS全離子注入工藝制造。襯底材料為N型硅，晶向?yàn)椤?00〉，電阻率為6～9Ω.cm。

　?。?）工藝流程

　　選片→一次氧化→光刻P阱→P阱注入→P阱推進(jìn)→預(yù)氧化→LPCVDSi3N4→光刻有源→P管場注入→光刻→N管場注入→場氧化→預(yù)柵氧化→溝道→調(diào)整注入→柵氧化→多晶硅淀積→多晶硅摻磷→光刻多晶→光刻 P+區(qū)→P+注入→光刻N(yùn)+區(qū)→N+注入→淀積二氧化硅→源漏區(qū)推進(jìn)→光刻電極孔→濺射Al-Si膜→光刻→合金→鈍化→光刻→蒸金→中測→壓焊→封裝

　　（2）工藝參數(shù)和器件物理參數(shù)

　　一氧：100 nm

　　P阱結(jié)深：≥3.5μm

　　預(yù)氧：50nm

　　Si3N4：150nm

　　場氧：900nm

　　一柵：50nm

　　柵氧：450nm

　　多晶：400～450nm

　　摻磷：R□單晶≤8Ω/□ R□poly≤2.5Ω/□

　　LPSiO2:600 nm

　　Si-Al:1.4 μm

　　鈍化（LPSiO2/PESi3N4）： 300/500 nm

　　VTN:0.6～0.9V

　　ΒVDSN≥16V

　　VNTL Al/Si≥16V

　　VTP:0.8～1.2V

　　ΒVDSP≥18V

　　2.8　測試

　　2.8.1　測試程序

　　L82C37A的工作方式比較復(fù)雜，時(shí)序要求比較繁瑣，測試脈沖的調(diào)制也比較嚴(yán)格。對(duì)于不同的輸入端，根據(jù)時(shí)序的要求，進(jìn)行7種不同時(shí)序調(diào)制，并同時(shí)進(jìn)行兩次分級(jí)調(diào)制。對(duì)于I/O讀和I/O寫分別采用150ns和100ns的歸零取反調(diào)制，地址線A0-A3采用雙向的歸零調(diào)制。對(duì)于數(shù)據(jù)總線D7-D0也采用歸零調(diào)制。其它輸入采用不歸零調(diào)制。

　　2.8.2　測試碼點(diǎn)

　　L82C37A由于功能比較復(fù)雜，時(shí)序要求又比較嚴(yán)格，測試碼點(diǎn)的產(chǎn)生比較長。根據(jù)L82C37A的功能特性要求，分成4種不同類型的測試碼點(diǎn)圖形，有利于進(jìn)行測試分析。

　　2.8.3　交、直流參數(shù)測試

　　L82C37A電路的交、直流參數(shù)測試是按照參數(shù)手冊(cè)的交、直流參數(shù)要求進(jìn)行測試的。

　　3　結(jié)束語

　　L82C37A電路在DIC-8032大型測試系統(tǒng)上完全按照手冊(cè)要求，進(jìn)行全功能、全參數(shù)測試。測試結(jié)果表明，各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均達(dá)到國外同類產(chǎn)品的性能參數(shù)規(guī)范，可替換使用。L82C37A能在-55℃～+125℃全溫區(qū)、8MHz頻率條件下可靠地工作，達(dá)到了用戶要求，可批量生產(chǎn).