高等学校21世纪教材《微机原理与接口技术》全套PPT电子课件教案-第8章 输入和输出.ppt

8.1 概 述 8.2 cpu与外设数据传送的方式 8.3 dma控制器,退出,第8章 输入和输出,8.1 概 述,8.1.1 输入输出的寻址方式 cpu寻址外设可以有两种方式。 1存储器对应输入输出方式 在这种方式中，把一个外设端口作为存储器的一个单元来对待，故每一个外设端口占有存储器的一个地址。从外部设备输入一个数据，作为一次存储器读的操作；而向外部设备输出一个数据，则作为一次存储器写的操作。,这种方式的优点是： （1）cpu对外设的操作可使用全部的存储器操作指令，故指令多，使用方便。如可以对外设中的数据（存于外设的寄存器中）进行算术和逻辑运算，进行循环或移位等。 （2）内存和外设的地址分布图是同一个。 （3）不需要专门的输入输出指令以及区分是存储器还是i/o操作的控制信号。 缺点是： 外设占用了内存单元，使内存容量减小。,2端口寻址的输入输出方式 在这种工作方式中：cpu有专门的i/o指令，用地址来区分不同的外设。但要注意实际上是以端口（port）作为地址的单元，因为一个外设不仅有数据寄存器还有状态寄存器和控制命令寄存器，它们各需要一个端口才能加以区分，故一个外设往往需要数个端口地址。cpu用地址来选择外设。 要寻址的外设的端口地址，显然比内存单元的地址要少得多。所以，在用直接寻址方式寻址外设时，它的地址字节，通常总要比寻址内存单元的地址少一个字节，因而节省了指令的存储空间，缩短了指令的执行时间。,8.1.2 cpu与i/o设备之间的接口信息 1数据（data） 在微型机中，数据通常为8位、16位或32位。它大致可以分为三种基本类型： （1）数字量 （2）模拟量 （3）开关量 2状态信息（status） 在输入时，有输入设备是否准备好（ready）的状态信息；在输出时，有输出设备是否有空（empty）的状态信息，若输出设备正在输出，则以忙（busy）指示等等。,3控制信息（control） 控制输入输出设备启动或停止等等。 状态信息和控制信息与数据是不同性质的信息，必须要分别传送。但在大部分微型机中（8086也如此），只有通用的in和out指令，因此，外设的状态也必须作为一种数据输入；而cpu的控制命令也必须作为一种数据输出。所以，一个外设往往要几个端口地址，cpu寻址的是端口，而不是笼统的外设。,8.1.3 cpu的输入输出时序 通常i/o接口电路的工作速度较慢，往往要插入等待状态。 8.1.4 cpu与接口电路间数据传送的形式 cpu与外设的信息交换称为通信（communication）。基本的通信方式有两种： 并行通信数据的各位同时传送； 串行通信数据一位一位顺序传送。,8.2 cpu与外设数据传送的方式,8.2.1 查询传送方式 cpu与i/o设备的工作往往是异步的，很难保证当cpu执行输入操作时，外设已把要输入的信息准备好了；而当cpu执行输出时，外设的寄存器（用于存放cpu输出数据的寄存器）一定是空的。所以，通常程序控制的传送方式在传送之前，必须要查询一下外设的状态，当外设准备就绪了才传送；若未准备好，则cpu等待。,1查询式输入 在输入时，cpu必须了解外设的状态，看外设是否准备好。 当输入设备的数据已准备好后，发出一个选通信号，一边把数据送入锁存器，一边使d触发器为“1”，给出“准备好”ready的状态信号。而数据与状态必须由不同的端口输至cpu数据总线。当cpu要由外设输入信息时，先输入状态信息，检查数据是否已准备好，当数据已经准备好后，才输入数据。读入数据的指令，使状态信息清“0”。 这种查询输入方式的程序流程图，如图8-11所示。,2查询式输出 同样的，在输出时cpu也必须了解外设的状态，看外设是否有空（即外设不是正处在输出状态，或外设的数据寄存器是空的，可以接收cpu输出的信息），若有空，则cpu执行输出指令，否则就等待。 查询式输出的程序流程图如图8-14所示。,8.2.2 中断传送方式 在上述的查询传送方式中，cpu要不断地询问外设，当外设没有准备好时，cpu要等待，不能进行别的操作，这样就浪费了cpu的时间。而且许多外设的速度是较低的，如键盘、打印机等等，它们输入或输出一个数据的速度是很慢的，在这个过程中，cpu可以执行大量的指令。为了提高cpu的效率，可采用中断的传送方式：在输入时，若外设的输入数据已存入寄存器；在输出时，若外设已把上一个数据输出，输出寄存器已空，由外设向cpu 发出中断请求，cpu就暂停原执行的程序（ 即实现中断），转去执行输入或输出操作（中断服务），待输入输出操作完成后即返回，cpu再继续执行原来的程序。这样就可以大大提高cpu的效率，而且允许cpu与外设（甚至多个外设）同时工作。,8.2.3 直接数据通道传送（dma） 中断传送仍是由cpu通过程序来传送，每次要保护断点，保护现场需用多条指令，每条指令要有取指和执行时间。这对于一个高速i/o设备，以及成组交换数据的情况，例如磁盘与内存间的信息交换，就显得速度太慢了。,所以希望用硬件在外设与内存间直接进行数据交换（dma），而不通过cpu，这样数据传送的速度的上限就取决于存储器的工作速度。但是，通常系统的地址和数据总线以及一些控制信号线（例如io/、等）是由cpu管理的。在dma方式时，就希望cpu把这些总线让出来（即cpu连到这些总线上的线处于第三态高阻状态），而由dma控制器接管，控制传送的字节数，判断dma是否结束，以及发出dma结束等信号。这些都是由硬件实现的。,1dma控制器的基本功能 dmac是控制存储器和外部设备之间直接高速地传送数据的硬件电路，它应能取代cpu，用硬件完成图8-17所示的各项功能。具体地说应具有如下功能： （1）能接收外设的请求，向cpu发出dma请求信号。 （2）当cpu发出dma响应信号之后，接管对总线的控制，进入dma方式。,（3）能寻址存储器，即能输出地址信息和修改地址。 （4）能向存储器和外设发出相应的读/写控制信号。 （5）能控制传送的字节数，判断dma传送是否结束。 （6）在dma传送结束以后，能结束dma请求信号，释放总线，使cpu恢复正常工作。,2dma传送方式 各种dmac一般都有两种基本的dma传送方式： （1）单字节方式：每次dma请求只传送一个字节数据，每传送完一个字节，都撤除dma请求信号，释放总线。 （2）字节（字符）组方式：每次dma请求连续传送一个数据块，待规定长度的数据块传送完了以后，才撤除dma请求，释放总线。,8.3 dma控制器,8237的工作周期 8237在设计时规定它有两种主要的工作周期（或工作状态），即空闲周期和有效周期。每一个周期又是由若干个时钟周期所组成的。,8237的工作方式 8237在dma传送时有四种工作方式。 1单字节传送方式 这种方式一次只传送一个字节。数据传送后字节计数器减量，地址要相应修改（增量或减量取决于编程）。hrq变为无效，释放系统总线。若传送使字节数减为0，tc发生或者终结dma传送，或重新初始化。,2块传送方式 在这种传送方式下，8237由dreq启动后就连续地传送数据，直至字节数计数器减到零产生tc（terminal count），或者由外部输入有效的 信号来终结dma传送。,3请求传送方式 在这种工作方式下，8237可以进行连续的数据传送。当出现以下三种情况之一时停止传送。 （1）字节数计数器减到0，发生tc； （2）由外界送来一个有效的 信号； （3）外界的dreq信号变为无效（外设的数据已传送完）。,4级连方式 这种方式用于通过级连以扩展通道的情况。第二级的hrq和hlda信号连到第一级的dreq和dack上。 在前三种工作方式下，dma传送有三种类型：dma读、写和校验。,8237的寄存器组和编程 1现行地址寄存器 每一个通道有一个16位的现行地址寄存器。在这个寄存器中保存着用于dma传送的地址值，在每次传送后，这个寄存器的值自动增量或减量。这个寄存器的值可由cpu写入或读出（分两次连续操作）。 2现行字节数寄存器 每个通道有一个16位的现行字节数寄存器，它保持着要传送的字节数，在每次传送后此寄存器减量。当这个寄存器的值减为零时，tc将产生。这个寄存器的值在编程状态可由cpu读出和写入。,3基地址和基字节数寄存器 每一个通道有一对16位的基地址和基字节数寄存器，它们存放着与现行寄存器相联系的初始值。 4命令寄存器 这是一个8位寄存器，用以控制8237的工作。命令字的格式如图8-24所示。,5模式寄存器 每一个通道有一个6位的模式寄存器以规定通道的工作模式，如图8-26所示。 在编程时用最低两位来选择写入哪个通道的模式寄存器。,6请求寄存器 8237的每个通道有一条硬件的dreq请求线，当工作在数据块传送方式时，也可以由软件发出dreq请求。所以，在8237中有一种请求寄存器，如图8-27所示。 每个通道的软件请求可以分别设置。软件请求是非屏蔽的，它们的优先权同样受优先权逻辑的控制。,7屏蔽寄存器 每个通道外设通过dreq线发出的请求，可以单独地屏蔽或允许，所以在8237中有一个屏蔽寄存器，如图8-28所示。,8状态寄存器 8237中有一个可由cpu读取的状态寄存器，如图8-29所示。,9临时寄存器 在存储器到存储器的传送方式下，临时寄存器保存从源单元读出的数据，又由它写入至目的单元。在传送完成时，它保留传送的最后一个字节，此字节可由cpu读出。 10软件命令 8237在编程状态还有两种软件命令，软件命令不需要通过数据总线写入控制字，而由8237直接对地