高等學(xué)校21世紀(jì)教材《微機(jī)原理與接口技術(shù)》全套電子課件教案-輸入和輸出

1、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(chǔ)器對(duì)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(chǔ)器的一個(gè)單元來(lái)對(duì)待，故每一個(gè)外設(shè)端口占有存儲(chǔ)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(chǔ)器讀的操作；而向外部設(shè)備輸出一個(gè)數(shù)據(jù)，那么作為一次存儲(chǔ)器寫的操作。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是：1CPU對(duì)外設(shè)的操作可使用全部的存儲(chǔ)器操作指令，故指令多，使用方便。如可以對(duì)外設(shè)中的數(shù)據(jù)存于外設(shè)的存放器中進(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

2、出指令以及區(qū)分是存儲(chǔ)器還是I/O操作的控制信號(hào)。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(lái)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)存放器還有狀態(tài)存放器和控制命令存放器，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(lái)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(chǔ)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

3、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根本類型：1數(shù)字量2模擬量3開(kāi)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，假設(shè)輸出設(shè)備正在輸出，那么以忙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。但在大局部微型機(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

4、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。根本的通信方式有兩種： 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)的存放器用于存放CPU輸出數(shù)據(jù)的存放器一定是空的。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

5、設(shè)準(zhǔn)備就緒了才傳送；假設(shè)未準(zhǔn)備好，那么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(hào)，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(hào)。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)存放器是空的，可以接收C

6、PU輸出的信息，假設(shè)有空，那么CPU執(zhí)行輸出指令，否那么就等待。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(wèn)外設(shè)，當(dāng)外設(shè)沒(méi)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(guò)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)，假設(shè)外設(shè)的輸入數(shù)據(jù)已存入存放器；在輸出時(shí)，假設(shè)外設(shè)已把上一個(gè)數(shù)據(jù)輸出，輸出存放器已空，由外設(shè)向CPU 發(fā)出中斷請(qǐng)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

7、或輸出操作中斷效勞，待輸入輸出操作完成后即返回，CPU再繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)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(guò)程序來(lái)傳送，每次要保護(hù)斷點(diǎn)，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)需用多條指令，每條指令要有取指和執(zhí)行時(shí)間。這對(duì)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(guò)CPU，這樣數(shù)據(jù)傳送的速度的上限就取決于存儲(chǔ)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(hào)線例如IO/、等是由CPU管理的。在DMA方式時(shí)，就希

8、望CPU把這些總線讓出來(lái)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(hào)。這些都是由硬件實(shí)現(xiàn)的。1DMA控制器的根本功能DMAC是控制存儲(chǔ)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(shuō)應(yīng)具有如下功能：1能接收外設(shè)的請(qǐng)求，向CPU發(fā)出DMA請(qǐng)求信號(hào)。2當(dāng)CPU發(fā)出DMA響應(yīng)信號(hào)之后，接管對(duì)總線的控制，進(jìn)入DMA方式。3能尋址存儲(chǔ)器，即能輸出地址信息和修改地址。4能向存儲(chǔ)器和外設(shè)發(fā)出相應(yīng)的讀/寫控制信號(hào)。5能控制傳送的字節(jié)數(shù)，判斷DMA傳送是否結(jié)束。6在D

9、MA傳送結(jié)束以后，能結(jié)束DMA請(qǐng)求信號(hào)，釋放總線，使CPU恢復(fù)正常工作。2DMA傳送方式各種DMAC一般都有兩種根本的DMA傳送方式：1單字節(jié)方式：每次DMA請(qǐng)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(qǐng)求信號(hào)，釋放總線。2字節(jié)字符組方式：每次DMA請(qǐng)求連續(xù)傳送一個(gè)數(shù)據(jù)塊，待規(guī)定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)塊傳送完了以后，才撤除DMA請(qǐng)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)周期又是由假設(shè)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)。

10、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(wú)效，釋放系統(tǒng)總線。假設(shè)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TCTerminal Count，或者由外部輸入有效的信號(hào)來(lái)終結(jié)DMA傳送。3請(qǐng)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(lái)一個(gè)有效的 信號(hào)；3外界的DREQ信號(hào)變?yōu)闊o(wú)效外設(shè)的數(shù)據(jù)已傳送完。4級(jí)連方式這種方式用于通過(guò)級(jí)連以擴(kuò)展通道的情況。第二級(jí)的HR

11、Q和HLDA信號(hào)連到第一級(jí)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的存放器組和編程1現(xiàn)行地址存放器每一個(gè)通道有一個(gè)16位的現(xiàn)行地址存放器。在這個(gè)存放器中保存著用于DMA傳送的地址值，在每次傳送后，這個(gè)存放器的值自動(dòng)增量或減量。這個(gè)存放器的值可由CPU寫入或讀出分兩次連續(xù)操作。2現(xiàn)行字節(jié)數(shù)存放器每個(gè)通道有一個(gè)16位的現(xiàn)行字節(jié)數(shù)存放器，它保持著要傳送的字節(jié)數(shù)，在每次傳送后此存放器減量。當(dāng)這個(gè)存放器的值減為零時(shí)，TC將產(chǎn)生。這個(gè)存放器的值在編程狀態(tài)可由CPU讀出和寫入。3基地址和基字節(jié)數(shù)存放器每一個(gè)通道有一對(duì)16位的基地址和基字節(jié)數(shù)存放器，它們存

12、放著與現(xiàn)行存放器相聯(lián)系的初始值。4命令存放器這是一個(gè)8位存放器，用以控制8237的工作。命令字的格式如圖8-24所示。5模式存放器每一個(gè)通道有一個(gè)6位的模式存放器以規(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(lái)選擇寫入哪個(gè)通道的模式存放器。6請(qǐng)求存放器8237的每個(gè)通道有一條硬件的DREQ請(qǐng)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(qǐng)求。所以，在8237中有一種請(qǐng)求存放器，如圖8-27所示。每個(gè)通道的軟件請(qǐng)求可以分別設(shè)置。軟件請(qǐng)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屏蔽存放器每個(gè)通道外設(shè)通過(guò)DREQ線發(fā)出的請(qǐng)求，可以單獨(dú)地屏蔽或允許，所以在8237中有一個(gè)屏蔽存放器，如圖8-28所示。8狀態(tài)存放器8237中有一個(gè)可由CPU讀取的狀態(tài)存放器，如圖8-29所示。9臨時(shí)存放器在存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器的傳送方式下，臨時(shí)存放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)，它保存?zhèn)魉偷淖詈笠粋€(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