Z80 DMA

Definizione

Lo Z80 DMA è un controller direct memory access per sistemi basati su Z80 che consente di trasferire blocchi di dati senza coinvolgere la CPU per ogni byte. L’idea è semplice: la CPU configura il DMA (sorgente, destinazione, lunghezza, modalità), poi il DMA prende temporaneamente il controllo del bus e sposta i dati tra memoria ↔ memoria, I/O ↔ memoria o I/O ↔ I/O (a seconda della configurazione e della logica di sistema), riducendo drasticamente overhead e jitter rispetto a cicli di polling o loop di copia in software.

Cosa fa “in più” rispetto a un loop di copia della CPU

• Libera cicli CPU: la CPU non deve eseguire istruzioni ripetitive di IN/OUT/LD per ogni byte.

• Trasferimenti deterministici: per molti carichi, il DMA offre throughput più regolare e prevedibile.

• Gestione del bus: il DMA si sincronizza con periferiche lente tramite segnali di READY/WAIT e può lavorare in modalità che minimizzano l’impatto sul resto del sistema.

• Fine blocco e interrupt: a fine trasferimento può segnalare evento (interrupt o flag), utile per driver “a blocchi”.

Architettura funzionale (come ragionare sul chip)

Un modo pratico di vederlo è come un “motore” con:

• Contatore di byte (byte counter) che definisce la dimensione del blocco.

• Puntatore sorgente e puntatore destinazione (address counters) che vengono incrementati/decrementati automaticamente secondo modalità.

• Unità di arbitraggio bus che richiede il bus, attende il momento opportuno e poi esegue cicli di lettura/scrittura.

• Logica di handshake con periferiche (ready, wait, request/ack se usate su scheda).

• Logica interrupt e daisy chain in stile Zilog per integrazione pulita con altre periferiche Z80.

Nota importante: lo Z80 DMA è tipicamente un controller a canale singolo (un “flusso” DMA alla volta). Se servono più canali, storicamente si usavano più chip o logiche di multiplexing/arbiter esterne.

Modalità operative tipiche

In un sistema Z80 reale, lo Z8410 viene usato soprattutto in queste modalità:

• Burst mode: il DMA “tiene” il bus e trasferisce il blocco (o una parte consistente) il più velocemente possibile. Massimo throughput, ma la CPU resta ferma più a lungo.

• Cycle stealing (interleaving): il DMA ruba singoli cicli (o piccoli gruppi) tra i cicli CPU. Riduce l’impatto sulla reattività, a costo di throughput leggermente inferiore.

• Transfer con handshake: quando la periferica non può accettare dati a piena velocità, si usano segnali di sincronizzazione (ready/wait/req-ack dipendenti dal design di scheda) così il DMA non “corre” più veloce del dispositivo collegato.

• Auto-initialize / restart: in alcune configurazioni si può predisporre un riavvio automatico dei parametri (utile per stream ripetitivi o buffer circolari, se previsto nella logica di controllo scelta).

Casi d’uso tipici su sistemi Z80

• Caricamento veloce di blocchi in RAM (es. da una periferica parallela o da una FIFO esterna).

• Aggiornamento display: copia di buffer grafici o aree di memoria video (quando l’architettura lo consente).

• I/O ad alta frequenza: acquisizione dati da ADC paralleli, strumenti, interfacce custom con handshake.

• Movimentazione blocchi per protocolli: gestione di frame o pacchetti su interfacce non troppo “intelligenti”, lasciando alla CPU solo l’header e il controllo.

Interfaccia con la CPU Z80 (bus e segnali principali)

Dal punto di vista hardware, lo Z80 DMA si collega al bus con segnali tipici Z80:

• D[7..0]: bus dati per programmazione e per alcuni cicli di trasferimento in I/O.

• /IORQ, /RD, /WR: cicli di I/O per accedere ai registri di controllo (e per le operazioni di DMA verso periferiche I/O).

• /MREQ (in molti sistemi): usato durante trasferimenti verso memoria.

• /BUSREQ /BUSACK: richiesta e concessione del bus (fondamentale: è così che il DMA “si inserisce” senza conflitti).

• /INT, IEI/IEO: interrupt e daisy chain come le altre periferiche Zilog.

• /RESET, CLK: reset e clock di sistema.

Schizzo dei collegamenti più importanti

                 ┌───────────────────────────┐
                 │            CPU Z80         │
                 │ D[7..0]  /IORQ /RD /WR     │
                 │ /MREQ  /BUSREQ /BUSACK     │
                 │ /INT   IEI/IEO  CLK RESET  │
                 └──────────────┬────────────┘
                                │ bus di sistema
                                ▼
                       ┌──────────────────┐
                       │     Z80 DMA      │  (Z8410)
                       │  addr src/dst    │
                       │  byte counter    │
                       │  bus arbiter     │
                       │  handshake/IRQ   │
                       └───┬───────────┬──┘
                           │           │
              cicli memoria│           │cicli I/O + handshake
                           ▼           ▼
                 ┌────────────────┐   ┌─────────────────────┐
                 │ RAM / ROM      │   │ Periferica I/O       │
                 │ (sorgente/dest)│   │ (UART, PIO, FIFO,    │
                 └────────────────┘   │  ADC, interfaccia…)  │
                                      └─────────────────────┘

Programmazione (visione “driver”)

A livello driver, i passi concettuali sono sempre questi:

1. Definire la direzione (mem→mem, I/O→mem, mem→I/O, ecc.).

2. Impostare indirizzo sorgente e indirizzo destinazione (e se incrementare/decrementare).

3. Caricare il conteggio byte del blocco.

4. Se necessario, configurare handshake/wait e la modalità (burst o cycle stealing).

5. Abilitare l’eventuale interrupt di fine blocco.

6. Avviare il trasferimento e lasciare che il DMA completi, controllando stato o ricevendo IRQ.

Tabella 1 – Caratteristiche operative 

Tabella 2 – Segnali e integrazione (italiano)