微机原理 第7章 输入和输出

第7章输入和输出,7.1概述7.2CPU与外设数据传送的方式7.3DMA控制器,7.1概述,7.1.1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。例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。,7.1.2CPU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。,7.1.3CPU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。7.1.4CPU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。,7.2CPU与外设数据传送的方式,7.2.1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。,查询式输入程序流程图,查询式输入接口电路,查询部分的程序如下：POLL:INAL，STATUS_PORT；从状态端口输入状态信息TESTAL，80H；检查READY是否为1JEPOLL；未READY，循环INAL，DATA_PORT；READY，从数据端口输入数据,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。,查询式输出接口电路,查询式输出程序流程图,查询部分的程序为：POLL:INAL，STATUS_PORT；从状态端口输入状态信息TESTAL，80H；检查BUSY位JNEPOLL；BUSY则循环等待MOVAL，STORE；否则，从缓冲区取数据OUTDATA_PORT，AL；从数据端口输出其中，STATUS_PORT是状态端口的符号地址；DATA_PORT是数据端口的符号地址；STORE是存放数据单元的地址偏移量。,一个采用查询方式的数据采集系统一个有8个模拟量输入的数据采集系统，用查询的方式与CPU传送信息，其电路如图所示。,查询方式的数据采集系统,实现这样的数据采集过程的程序为：START:MOVDL，0F8H；设置启动A/D转换的信号LEADI，DSTOR；存放输入数据缓冲区的地址偏移量DIAGAIN：MOVAL，DLANDAL，0EFH；使D4=0OUT4，AL；停止A/D转换CALLDELAY；等待停止A/D操作的完成MOVAL，DLOUT4，AL；启动A/D，且选择模拟量A0,POLL：INAL，2；输入状态信息SHRAL，1JNCPOLL；若未READY,程序循环等待INAL，3；否则，输入数据STOSB；存至内存INCDL；修改多路开关控制信号，指向下一个模拟量JNEAGAIN；8个模拟量未输入完,循环已完,执行别的程序段,7.2.2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，在等待过程中，CPU本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、输出时，若外设已准备好，则由外设向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。,中断传送方式接口电路,7.2.3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。,DMA工作流程图,DMA控制器方框图,DMA传送已不局限于存储器与外设间的信息交换，而可以扩展为在存储器的两个区域之间，或两种高速的外设之间进行DMA传送,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。,7.3DMA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（TerminalCount），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，如图所示。,屏蔽寄存器,8状态寄存器8237中有一个可由CPU读取的状态寄存器，如图所示。,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直接对地址和控制信号进行译码。（1）清除高/低触发器（2）主清除命令,118237的编程步骤（1）输出主清除命令。（2）写入基与现行地址寄存器。（3）写入基与现行字节数寄存器。（4）写入模式寄存器。（5）写入屏蔽寄存器。（6）写入命令寄存器。（7）写入请求寄存器。若有软件请求，就写入指定通道，可以开始DMA传送的过程。若无软件请求，则在完成了（1）（6）的编程后，由通道的DREQ启动DMA传送过程。,编程举例若要利用通道0，由外设(磁盘)输入32KB的一个数据块，传送至内存8000H开始的区域(增量传送)，采用块连续传送的方式，传送完不自动初始化，外设的DREQ和DACK都为高电平有效。要编程首先要确定端口地址。地址的低4位用以区分8237的内部寄存器，高4位地址A7A4经译码后，连至选片端CS，假定选中时高4位为5。,按上述要求，可确定如下控制字：模式控制字84H屏蔽字00H命令字A0H初始化程序如下：,OUT5DH，AL；输出主清除命令MOVAL，00HOUT50H，AL；输出基和现行地址的低8位MOVAL，80HOUT50H，AL；输出基和现行地址的高8位MOVAL，00HOUT51H，ALMOVAL，80H,OUT51H，AL；给基和现行字节数赋值MOVAL，84HOUT5BH，AL；输出模式字MOVAL，00HOUT5AH，AL；输出屏蔽字MOVAL，0A0HOUT58