微機(jī)原理與接口技術(shù)第08章

單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,人民郵電出版社,8.1,概 述,8.2 CPU,與外設(shè)數(shù)據(jù)傳送的方式,8.3 DMA,控制器,退出,課件,第,8,章 輸入和輸出,8.1,概 述,8.1.1,輸入輸出的尋址方式,CPU,尋址外設(shè)可以有兩種方式。,1,存儲器對應(yīng)輸入輸出方式,在這種方式中，把一個(gè)外設(shè)端口作為存儲器的一個(gè)單元來對待，故每一個(gè)外設(shè)端口占有存儲器的一個(gè)地址。從外部設(shè)備輸入一個(gè)數(shù)據(jù)，作為一次存儲器讀的操作；而向外部設(shè)備輸出一個(gè)數(shù)據(jù)，則作為一次存儲器寫的操作。,這種方式的優(yōu)點(diǎn)是：,（,1,）,CPU,對外設(shè)的操作可使用全部的存儲器操作指令，故指令多，使用方便。如可以對外設(shè)中的數(shù)據(jù)（存于外設(shè)的寄存器中）進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算，進(jìn)行循環(huán)或移位等。,（,2,）內(nèi)存和外設(shè)的地址分布圖是同一個(gè)。,（,3,）不需要專門的輸入輸出指令以及區(qū)分是存儲器還是,I/O,操作的控制信號。,缺點(diǎn)是：,外設(shè)占用了內(nèi)存單元，使內(nèi)存容量減小。,2,端口尋址的輸入輸出方式,在這種工作方式中：,CPU,有專門的,I/O,指令，用地址來區(qū)分不同的外設(shè)。但要注意實(shí)際上是以端口（,Port,）作為地址的單元，因?yàn)橐粋€(gè)外設(shè)不僅有數(shù)據(jù)寄存器還有狀態(tài)寄存器和控制命令寄存器，它們各需要一個(gè)端口才能加以區(qū)分，故一個(gè)外設(shè)往往需要數(shù)個(gè)端口地址。,CPU,用地址來選擇外設(shè)。,要尋址的外設(shè)的端口地址，顯然比內(nèi)存單元的地址要少得多。所以，在用直接尋址方式尋址外設(shè)時(shí)，它的地址字節(jié)，通常總要比尋址內(nèi)存單元的地址少一個(gè)字節(jié)，因而節(jié)省了指令的存儲空間，縮短了指令的執(zhí)行時(shí)間。,8.1.2 CPU,與,I/O,設(shè)備之間的接口信息,1,數(shù)據(jù)（,Data,）,在微型機(jī)中，數(shù)據(jù)通常為,8,位、,16,位或,32,位。它大致可以分為三種基本類型：,（,1,）數(shù)字量,（,2,）模擬量,（,3,）開關(guān)量,2,狀態(tài)信息（,Status,）,在輸入時(shí)，有輸入設(shè)備是否準(zhǔn)備好（,Ready,）的狀態(tài)信息；在輸出時(shí)，有輸出設(shè)備是否有空（,Empty,）的狀態(tài)信息，若輸出設(shè)備正在輸出，則以忙（,Busy,）指示等等。,3,控制信息（,Control,）,控制輸入輸出設(shè)備啟動(dòng)或停止等等。,狀態(tài)信息和控制信息與數(shù)據(jù)是不同性質(zhì)的信息，必須要分別傳送。但在大部分微型機(jī)中（,8086,也如此），只有通用的,IN,和,OUT,指令，因此，外設(shè)的狀態(tài)也必須作為一種數(shù)據(jù)輸入；而,CPU,的控制命令也必須作為一種數(shù)據(jù)輸出。所以，一個(gè)外設(shè)往往要幾個(gè)端口地址，,CPU,尋址的是端口，而不是籠統(tǒng)的外設(shè)。,8.1.3 CPU,的輸入輸出時(shí)序,通常,I/O,接口電路的工作速度較慢，往往要插入等待狀態(tài)。,8.1.4 CPU,與接口電路間數(shù)據(jù)傳送的形式,CPU,與外設(shè)的信息交換稱為通信（,Communication,）?；镜耐ㄐ欧绞接袃煞N：,并行通信,數(shù)據(jù)的各位同時(shí)傳送；,串行通信,數(shù)據(jù)一位一位順序傳送。,8.2 CPU,與外設(shè)數(shù)據(jù)傳送的方式,8.2.1,查詢傳送方式,CPU,與,I/O,設(shè)備的工作往往是異步的，很難保證當(dāng),CPU,執(zhí)行輸入操作時(shí)，外設(shè)已把要輸入的信息準(zhǔn)備好了；而當(dāng),CPU,執(zhí)行輸出時(shí)，外設(shè)的寄存器（用于存放,CPU,輸出數(shù)據(jù)的寄存器）一定是空的。所以，通常程序控制的傳送方式在傳送之前，必須要查詢一下外設(shè)的狀態(tài)，當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備就緒了才傳送；若未準(zhǔn)備好，則,CPU,等待。,1,查詢式輸入,在輸入時(shí)，,CPU,必須了解外設(shè)的狀態(tài)，看外設(shè)是否準(zhǔn)備好。,當(dāng)輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好后，發(fā)出一個(gè)選通信號，一邊把數(shù)據(jù)送入鎖存器，一邊使,D,觸發(fā)器為“,1”,，給出“準(zhǔn)備好”,Ready,的狀態(tài)信號。而數(shù)據(jù)與狀態(tài)必須由不同的端口輸至,CPU,數(shù)據(jù)總線。當(dāng),CPU,要由外設(shè)輸入信息時(shí)，先輸入狀態(tài)信息，檢查數(shù)據(jù)是否已準(zhǔn)備好，當(dāng)數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好后，才輸入數(shù)據(jù)。讀入數(shù)據(jù)的指令，使?fàn)顟B(tài)信息清“,0”,。,這種查詢輸入方式的程序流程圖，如圖,8-11,所示。,2,查詢式輸出,同樣的，在輸出時(shí),CPU,也必須了解外設(shè)的狀態(tài)，看外設(shè)是否有空（即外設(shè)不是正處在輸出狀態(tài)，或外設(shè)的數(shù)據(jù)寄存器是空的，可以接收,CPU,輸出的信息），若有空，則,CPU,執(zhí)行輸出指令，否則就等待。,查詢式輸出的程序流程圖如圖,8-14,所示。,8.2.2,中斷傳送方式,在上述的查詢傳送方式中，,CPU,要不斷地詢問外設(shè)，當(dāng)外設(shè)沒有準(zhǔn)備好時(shí)，,CPU,要等待，不能進(jìn)行別的操作，這樣就浪費(fèi)了,CPU,的時(shí)間。而且許多外設(shè)的速度是較低的，如鍵盤、打印機(jī)等等，它們輸入或輸出一個(gè)數(shù)據(jù)的速度是很慢的，在這個(gè)過程中，,CPU,可以執(zhí)行大量的指令。為了提高,CPU,的效率，可采用中斷的傳送方式：在輸入時(shí)，若外設(shè)的輸入數(shù)據(jù)已存入寄存器；在輸出時(shí)，若外設(shè)已把上一個(gè)數(shù)據(jù)輸出，輸出寄存器已空，由外設(shè)向,CPU,發(fā)出中斷請求，,CPU,就暫停原執(zhí)行的程序（即實(shí)現(xiàn)中斷），轉(zhuǎn)去執(zhí)行輸入或輸出操作（中斷服務(wù)），待輸入輸出操作完成后即返回，,CPU,再繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。這樣就可以大大提高,CPU,的效率，而且允許,CPU,與外設(shè)（甚至多個(gè)外設(shè)）同時(shí)工作。,8.2.3,直接數(shù)據(jù)通道傳送（,DMA,）,中斷傳送仍是由,CPU,通過程序來傳送，每次要保護(hù)斷點(diǎn)，保護(hù)現(xiàn)場需用多條指令，每條指令要有取指和執(zhí)行時(shí)間。這對于一個(gè)高速,I/O,設(shè)備，以及成組交換數(shù)據(jù)的情況，例如磁盤與內(nèi)存間的信息交換，就顯得速度太慢了。,所以希望用硬件在外設(shè)與內(nèi)存間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換（,DMA,），而不通過,CPU,，這樣數(shù)據(jù)傳送的速度的上限就取決于存儲器的工作速度。但是，通常系統(tǒng)的地址和數(shù)據(jù)總線以及一些控制信號線（例如,IO/,、等）是由,CPU,管理的。在,DMA,方式時(shí)，就希望,CPU,把這些總線讓出來（即,CPU,連到這些總線上的線處于第三態(tài),高阻狀態(tài)），而由,DMA,控制器接管，控制傳送的字節(jié)數(shù)，判斷,DMA,是否結(jié)束，以及發(fā)出,DMA,結(jié)束等信號。這些都是由硬件實(shí)現(xiàn)的。,1,DMA,控制器的基本功能,DMAC,是控制存儲器和外部設(shè)備之間直接高速地傳送數(shù)據(jù)的硬件電路，它應(yīng)能取代,CPU,，用硬件完成圖,8-17,所示的各項(xiàng)功能。具體地說應(yīng)具有如下功能：,（,1,）能接收外設(shè)的請求，向,CPU,發(fā)出,DMA,請求信號。,（,2,）當(dāng),CPU,發(fā)出,DMA,響應(yīng)信號之后，接管對總線的控制，進(jìn)入,DMA,方式。,（,3,）能尋址存儲器，即能輸出地址信息和修改地址。,（,4,）能向存儲器和外設(shè)發(fā)出相應(yīng)的讀,/,寫控制信號。,（,5,）能控制傳送的字節(jié)數(shù)，判斷,DMA,傳送是否結(jié)束。,（,6,）在,DMA,傳送結(jié)束以后，能結(jié)束,DMA,請求信號，釋放總線，使,CPU,恢復(fù)正常工作。,2,DMA,傳送方式,各種,DMAC,一般都有兩種基本的,DMA,傳送方式：,（,1,）單字節(jié)方式：每次,DMA,請求只傳送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，每傳送完一個(gè)字節(jié)，都撤除,DMA,請求信號，釋放總線。,（,2,）字節(jié)（字符）組方式：每次,DMA,請求連續(xù)傳送一個(gè)數(shù)據(jù)塊，待規(guī)定長度的數(shù)據(jù)塊傳送完了以后，才撤除,DMA,請求，釋放總線。,8.3 DMA,控制器,8237,的工作周期,8237,在設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定它有兩種主要的工作周期（或工作狀態(tài)），即空閑周期和有效周期。每一個(gè)周期又是由若干個(gè)時(shí)鐘周期所組成的。,8237,的工作方式,8237,在,DMA,傳送時(shí)有四種工作方式。,1,單字節(jié)傳送方式,這種方式一次只傳送一個(gè)字節(jié)。數(shù)據(jù)傳送后字節(jié)計(jì)數(shù)器減量，地址要相應(yīng)修改（增量或減量取決于編程）。,HRQ,變?yōu)闊o效，釋放系統(tǒng)總線。若傳送使字節(jié)數(shù)減為,0,，,TC,發(fā)生或者終結(jié),DMA,傳送，或重新初始化。,2,塊傳送方式,在這種傳送方式下，,8237,由,DREQ,啟動(dòng)后就連續(xù)地傳送數(shù)據(jù)，直至字節(jié)數(shù)計(jì)數(shù)器減到零產(chǎn)生,TC,（,Terminal Count,），或者由外部輸入有效的信號來終結(jié),DMA,傳送。,3,請求傳送方式,在這種工作方式下，,8237,可以進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)傳送。當(dāng)出現(xiàn)以下三種情況之一時(shí)停止傳送。,（,1,）字節(jié)數(shù)計(jì)數(shù)器減到,0,，發(fā)生,TC,；,（,2,）由外界送來一個(gè)有效的 信號；,（,3,）外界的,DREQ,信號變?yōu)闊o效（外設(shè)的數(shù)據(jù)已傳送完）。,4,級連方式,這種方式用于通過級連以擴(kuò)展通道的情況。第二級的,HRQ,和,HLDA,信號連到第一級的,DREQ,和,DACK,上。,在前三種工作方式下，,DMA,傳送有三種類型：,DMA,讀、寫和校驗(yàn)。,8237,的寄存器組和編程,1,現(xiàn)行地址寄存器,每一個(gè)通道有一個(gè),16,位的現(xiàn)行地址寄存器。在這個(gè)寄存器中保存著用于,DMA,傳送的地址值，在每次傳送后，這個(gè)寄存器的值自動(dòng)增量或減量。這個(gè)寄存器的值可由,CPU,寫入或讀出（分兩次連續(xù)操作）。,2,現(xiàn)行字節(jié)數(shù)寄存器,每個(gè)通道有一個(gè),16,位的現(xiàn)行字節(jié)數(shù)寄存器，它保持著要傳送的字節(jié)數(shù)，在每次傳送后此寄存器減量。當(dāng)這個(gè)寄存器的值減為零時(shí)，,TC,將產(chǎn)生。這個(gè)寄存器的值在編程狀態(tài)可由,CPU,讀出和寫入。,3,基地址和基字節(jié)數(shù)寄存器,每一個(gè)通道有一對,16,位的基地址和基字節(jié)數(shù)寄存器，它們存放著與現(xiàn)行寄存器相聯(lián)系的初始值。,4,命令寄存器,這是一個(gè),8,位寄存器，用以控制,8237,的工作。命令字的格式如圖,8-24,所示。,5,模式寄存器,每一個(gè)通道有一個(gè),6,位的模式寄存器以規(guī)定通道的工作模式，如圖,8-26,所示。,在編程時(shí)用最低兩位來選擇寫入哪個(gè)通道的模式寄存器。,6,請求寄存器,8237,的每個(gè)通道有一條硬件的,DREQ,請求線，當(dāng)工作在數(shù)據(jù)塊傳送方式時(shí)，也可以由軟件發(fā)出,DREQ,請求。所以，在,8237,中有一種請求寄存器，如圖,8-27,所示。,每個(gè)通道的軟件請求可以分別設(shè)置。軟件請求是非屏蔽的，它們的優(yōu)先權(quán)同樣受優(yōu)先權(quán)邏輯的控制。,7,屏蔽寄存器,每個(gè)通道外設(shè)通過,DREQ,線發(fā)出的請求，可以單獨(dú)地屏蔽或允許，所以在,8237,中有一個(gè)屏蔽寄存器，如圖,8-28,所示。,8,狀態(tài)寄存器,8237,中有一個(gè)可由,CPU,讀取的狀態(tài)寄存器，如圖,8-29,所示。,9,臨時(shí)寄存器,在存儲器到存儲器的傳送方式下，臨時(shí)寄存器保存從源單元讀出的數(shù)據(jù)，又由它寫入至目的單元。在傳送完成時(shí)，它保留傳送的最后一個(gè)字節(jié)，此字節(jié)可由,CPU,讀出。,10,軟件命令,8237,在編程狀態(tài)還有兩種軟件命令，軟件命令不需要通過數(shù)據(jù)總線寫入控制字，而由,8237,直接對地址和控制信號進(jìn)行譯碼。,（,1,）清除高,/,低觸發(fā)器,（,2,）主清除命令,11,8237,的編程步驟,（,1,）輸出主清除命令。,（,2,）寫入基與現(xiàn)行地址寄存器。,（,3,）寫入基與現(xiàn)行字節(jié)數(shù)寄存器。,（,4,）寫入模式寄存器。,（,5,）寫入屏蔽寄存器。,（,6,）寫入命令寄存器。,（,7,）寫入請求寄存器。若有軟件請求，就寫入指定通道，可以開始,DMA,傳送的過程。,若無軟件請求，則在完成了（,1,）（,6,）的編程后，由通道的,DREQ,啟動(dòng),DMA,傳送過程。,