第6章 输入输出及DMA控制器.ppt

1、第六章 输入/输出及DMA控制器,本章重点:,端口的编址; CPU与外设交换信息的四种控制方式;,本章难点： 微处理器与I/O设备数据传送的几种方式；,第六章 输入/输出及DMA控制器,CPU,接口 电路,I/O 设备,6.1、接口的基本概念,接口指CPU和外设之间通过系统总线进行连接的电 路部分，是CPU与外界进行信息交换的中转站。,1.物理上的连接;,2.程序设计;,接口牵涉两个方面的内容:,第六章 输入/输出及DMA控制器,3.总线属于共享资源。,1. 外部设备的多样性。,它们不能与CPU直接相连,必须经过中间电路再与系 统连接，这部分电路被称为I/O接口电路。,2.低速的外围设备和高速

2、的CPU之间的矛盾。,1. 信号电平的转换； 2. 信号类型的转换; 3. 数据格式的转换； 4. 数据寄存和缓冲； 5. 寻址功能; 6. 对外设的控制与检测； 7. 中断控制; （注：并不是所有的接口都具备上述所有的功能）,I/O接口的基本功能：,接口的分类：,由于接口的复杂性，接口芯片的种类也很多：,按通用程度：通用接口和专用接口；,按数据传送方式分：串行接口，并行接口；,按信号的类型分：模拟接口，数字接口；,不同的接口电路,功能侧重点的不同，但最终的目的 是为了保证数据的可靠传送。,接口电路中的信息:,1、数据信息,数字量 模拟量 开关量,3、状态信息,2、控制信息,这三类信息是不同性

3、质的信息，但在CPU与外设 交换信息时，只能通过数据总线来传送，为了分 辨出这些信息，这三类信息保存在各自的寄存器 中，每个寄存器称为一个端口。,6.2 输入/输出寻址方式,1.端口的两种编址方式,1).端口与存储器统一编址,例Motorola的M6800系列、Intel 51单片机系列,端口与存储器分别独立编址,端口操作指令及对端口的两种寻址方式:,port 为端口地址（直接寻址）, 大小为0255 或0FFH,例：,port为端口地址（直接寻址）, 大小为0255 或0FFH,6.2.2,将CPU执行IN/OUT指令发出的地址信号,“翻译” 成欲操作端口的选通信号，解决存储器、I/O设 备

4、与CPU连接时地址总线失配问题。此信号常 作为接口内三态门或锁存器的控制信号，接通 或断开接口数据线与系统的连接。,1. 直接地址译码,IBM PC/XT I/O 端口地址译码方法,2.SWITCH 可选取地址译码,6.2.3 IBM PC/XT的端口地址按排,0000 001F,0020 003F,0040 005F,0060 007F,0080 009F,00A0 00BF,0080 01FF,32字节,320字节,32字节,32字节,32字节,32字节,32字节,0000000F,8237A5 DMA控制器,00200021,8259A 中断控制器,00400043,8253A5 定时/

5、计数器,00600063,8255A5 并行接口芯片,00800083,DMA 页面寄存器,00A000BF,NMI 屏蔽寄存器,0200,0200020F,游戏控制口,02100217,扩展部件,021802F7,未用,02F802FF,异步通信卡（第二个）,0320032F,硬盘适配器,03300377,并行打印机,未用,0300031F,实验卡,0380038F,039003AF,03B003BF,03C003CF,03D003DF,03E003EF,03F003F7,03F803FF,03FF,0378037F,SPLC通信,未用,单色显示器 / 打印机,未用,未用,彩色/ 图形显示卡

6、,软盘适配器,异步通信卡（第一个）,6.3、CPU与外设数据传送的方式,在微型计算机系统中，一般有三种基本的输入输出 方法，这三种方法很好地解决了CPU与各类外设之 间进行数据传送时的同步问题和速度问题。为了进 一步提高数据传送效率减轻CPU的负担又提出了第 四种方法(IOP方式)。,1.程序控制方式,程序控制方式就是完全通过执行程序来控制实现CPU 与外部设备之间的数据交换。这种方法又分以下两种： 无条件传送控制方式 条件传送控制方式,无条件传送方式又称同步方式，即CPU的动作必须与外设同步，否则，传送数据出错。,当CPU任何时刻用IN指令从数据输入端口读取输入设备数据时，输入设备总有一组有

7、效数据让CPU读走（即输入设备常处于数据准备好状态，如开关设备）。这样的设备与CPU传送数据通常采用无条件输入方法。输入设备与系统总线之间的接口电路中只包含一个数据输入端口。,当CPU任何时刻用OUT指令通过数据输出端口向输出设备输 出数据时，输出设备总处于接收数据准备好状态（如LED设 备）。这样的设备与CPU传送数据通常采用无条件输出方法。 输出设备与系统总线之间的接口电路中只包含一个数据输出 端口。,例 一个输入设备的简单接口电路,例 一个输出设备的简单接口电路,查询法输入输出方法,对有些设备，CPU能否与其之间传送数据，与设备 的状态有关。如A/D转换器与CPU之间的数据传送， CPU

8、要读取A/D转换后的数字量信号，必须查询A/D 转换器是否转换结束，只有转换结束后，才能读 取转换结果。又如CPU向打印机输出数据前，必须 查询打印机是否处于接收准备好状态。这样一些 设备与CPU之间数据传送时，常采用查询法。其接 口方法如下图所示。,在传送前，查询一下外设的状态，当外设准备好了以后才传送， 否则，等待。,（1） 查询式输入,Poll: In al, S_port Test al, 80h Jz poll In al, D _port,数据端口,8位,（1） 查询式输出,Poll: In al, S_port Test al, 80h Jnz poll mov al, stor

9、e Out D_port, al,查询法程序结构,优点：接口电路简单，硬件成本低。,缺点： 为了测试和等待外部设备做好传送数据的准备，常常要花费大量的时间，在这段时间内，程序不能完成其它任务，所以系统的时间利用率大大降低。,CPU在一段时间里只能和一个外部设备之间传送 数据，其它设备只能等待。 不能发现和处理预先无法估计的错误和异常现 象。所以这种输入输出方式只适用于CPU数据处理 任务不繁忙，而且外部设备数较少的情况。,例6-1 一个A/D转换器，用查询方式与CPU传送数据，如图所示。 编写查询方式数据传送程序。,解：CPU预先向A/D转换器发启动信号，A/D转换器转换结束后 会自动给出就绪

10、信号，这时CPU读取数据。,A/D转换程序如下：,START： MOV AL ， 10H OUT 04H ， AL LOOP1： IN AL ， 02H TEST AL ， 80H JZ LOOP1 IN AL ， 03H MOV STORE ， AL HLT,6.3.2 中断控制方式,借助于CPU响应外中断请求的能力，实现输入输出 的控制，可以简称为程序中断式输入输出。,首先，外部设备要有接口逻辑，能把外部设备的状态 信息变成中断请求信号，加入CPU的中断请求输入端。,例如，对于输入设备，可把“数据准备好”状态变换成 中断请求信号；对于输出设备，可以把“设备已空闲” 状态变换成中断请求信号。

11、然后，CPU接受（响应） 中断请求，转入中断处理程序（即中断服务程序）， 输入输出数据的传送是在中断处理程序中用输入输出 指令实现的。,中断控制方式基本电路,程序中断控制方法的特点：,虽然程序中断功能参与了控制，但数据的传送仍然要靠在程 序中排入I/O指令完成。这一点和程序直接控制输入输出方式 是相同的。,为保证可靠地进行数据输入输出传送，需要外部设备形成的 “已做好传送数据准备”的状态信息，不是用指令输入来测试的， 而是从CPU的中断请求输入端直接加入的。正是由于CPU具有响 应外部中断请求的能力，避免了用指令查询外部设备状态造成 的大量时间浪费，从而使系统的时间利用率大大提高了。,中断控制

12、输入输出是靠硬件和软件相配合实现的。与程序直 接控制输入输出相比较，中断控制输入输出大大提高了CPU的 时间利用率，这是这种输入输出方式的主要优点。但它实现起 来相对复杂。,6.3.3 存储器直接存取方式,存储器直接存取DMA（Direct Memory Access） 方式的基本思想是在外部设备和存储器之间开辟 直接的数据传送通路，数据传送不是靠执行I/O 指令，数据不经过CPU内的任何寄存器，也就不 破坏任何寄存器原来的内容，而是在存储器和外 部设备之间的通路上直接传送数据。这种I/O方 式的实现主要是靠硬件（DMA控制器）实现的。,DMA传送的基本原理:,存储器直接存取方式的特点：,优点

13、：由于在数据传送时没有程序和指令介入，CPU只是暂停 一个或几个总线周期的时间，CPU内各寄存器的内容没有任何 改变，所以CPU的时间利用率比前两种I/O方式大大提高。这 种I/O方式最适合于高速外部设备与存储器之间交换成批数据 的情况。例如，磁盘与存储器之间的数据传送一般利用这种方 式。,缺点：说没有程序和指令介入仅仅是数据传送期间，并不意味 着DMA输入输出的全过程都没有程序介入。恰恰相反，数据传 送前的准备工作，例如传送涉及的存储区的开始地址，要传送 的字节数等参数，都是用程序预置于DMA控制器中的。,这就是说，DMA的I/O的实现更加复杂，不仅要有DMA传送数据的 控制机构，还要有程序直接控制的输入输出方式或中断控制输 入输入方式的硬件和软件支持DMA的实现。,如前所述，中断方式输入输出仍然是