微型計(jì)算機(jī)基本原理與應(yīng)用（第二版）第8章 IO接口與DMA技術(shù)

第8章

I/O接口與DMA技術(shù)本章主要內(nèi)容(1)I/O接口的基本概念(2)I/O控制方式(3)DMA接口技術(shù)8.1I/O接口概述8.1.1I/O接口的基本功能

(1)數(shù)據(jù)緩沖

(2)提供聯(lián)絡(luò)信息

(3)信號(hào)與信息格式的轉(zhuǎn)換

(4)設(shè)備選擇

(5)中斷管理

(6)可編程功能8.1.2I/O接口的基本結(jié)構(gòu)I/O接口的基本結(jié)構(gòu)如圖8.1所示。cpu外圍設(shè)備數(shù)據(jù)輸入寄存器數(shù)據(jù)輸出寄存器狀態(tài)寄存器控制寄存器中斷控制邏輯數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線圖8.1I/O接口的基本結(jié)構(gòu)I/O接口8.1.3I/O端口的編址方式輸入輸出接口包含一組稱為I/O端口的寄存器。為了讓CPU能夠訪問這些I/O端口，每個(gè)I/O端口都需有自己的端口地址(或端口號(hào))。在一個(gè)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，如何編排這些I/O接口的端口地址，稱為I/O端口的編址方式。常見的I/O端口編址方式有兩種:一種是I/O端口和存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址，也稱存儲(chǔ)器映像的I/O(MemoryMappedI/O)方式；另一種是I/O端口和存儲(chǔ)器分開編址，也稱I/O映像的I/O(I/OMappedI/O)方式。1.I/O端口和存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址

(Memory-MappedI/O)I/O端口和存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址的地址空間分布情況如圖8.2所示。I/O端口存儲(chǔ)單元I/O地址空間存儲(chǔ)器地址空間整個(gè)地址空間圖8.2I/O端口和存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址這種編址方式的優(yōu)點(diǎn)是，可以用訪向存儲(chǔ)器的指令來訪問I/O端口，而訪問存儲(chǔ)器的指令功能比較強(qiáng)，不僅有一般的傳送指令，還有算術(shù)、邏輯運(yùn)算指令，以及各種移位、比較指令等，并且可以實(shí)現(xiàn)直接對(duì)I/O端口內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。例如，若一個(gè)存儲(chǔ)器映像的I/O端口地址為3000H,則可以直接用指令“ADDAL,DS:［3000H］”對(duì)端口的內(nèi)容進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算。缺點(diǎn)是：由于I/O端口占用了一部分存儲(chǔ)器地址空間，因而使用戶的存儲(chǔ)地址空間相對(duì)減?。涣硗?，由于利用訪問存儲(chǔ)器的指令來進(jìn)行I/O操作，指令的長度通常比單獨(dú)I/O指令要長，因而指令的執(zhí)行時(shí)間也較長。微處理器MC6800系列、6502系列以及MC680x0系列采用這種編址方式。2.I/O端口和存儲(chǔ)器單獨(dú)編址

(I/O-MappedI/O)I/O端口和存儲(chǔ)器單獨(dú)編址的地址空間分布如圖8.3所示。存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)器地址空間I/O端口I/O地址空間圖8.3I/O端口和存儲(chǔ)器單獨(dú)編址這種編址方式的優(yōu)點(diǎn)是：第一，I/O端口不占用存儲(chǔ)器地址，故不會(huì)減少用戶的存儲(chǔ)器地址空間；第二，單獨(dú)I/O指令的地址碼較短，地址譯碼方便，I/O指令短，執(zhí)行速度快；第三，采用單獨(dú)的I/O指令，使程序中I/O操作和其他操作層次清晰，便于理解。這種編址方式的缺點(diǎn)是：第一，單獨(dú)I/O指令的功能有限，只能對(duì)端口數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入/輸出操作，不能直接進(jìn)行移位、比較等其他操作；第二，由于采用了專用的I/O操作時(shí)序及I/O控制信號(hào)線，因而增加了微處理器本身控制邏輯的復(fù)雜性。微處理器Z80系列、Intel80x86系列采用了這種編址方式。8.1.4I/O接口的地址分配本部分內(nèi)容詳見教材，此處從略。8.1.5I/O接口的地址譯碼及片選信號(hào)的產(chǎn)生在一個(gè)微機(jī)系統(tǒng)中通常具有多臺(tái)外設(shè)，當(dāng)CPU與外設(shè)進(jìn)行通信時(shí)，需要對(duì)各個(gè)設(shè)備所對(duì)應(yīng)的接口芯片進(jìn)行邏輯選擇，從而實(shí)現(xiàn)與相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這種邏輯選擇功能是由I/O接口電路中的地址譯碼器實(shí)現(xiàn)的。目前常見的一種做法是：先通過對(duì)I/O端口地址的某幾位高位地址進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生有效的片選信號(hào)，從而選中對(duì)應(yīng)的接口芯片，再利用I/O端口地址的低位地址作為對(duì)接口芯片內(nèi)部有關(guān)寄存器的選擇。例如，在IBMPC/XT微機(jī)中，其系統(tǒng)板上有數(shù)片I/O接口芯片，其中包括DMA控制器8237、中斷控制器8259A、并行接口8255A、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器8253等。這些接口芯片必須是在相應(yīng)的片選信號(hào)有效時(shí)才能工作。圖8.4所示的就是在該微機(jī)系統(tǒng)中片選信號(hào)的產(chǎn)生電路。AY0

BY1

CY2Y3Y4G2B

Y5

G2AY6

G1Y7A5A6A874LS138A7A9AENPPICST/CCSINTRCSDMACSIOWWRTDMAPG(寫DMA頁面寄存器)WRTNMIREG（寫NMI屏蔽寄存器） 圖8.4片選信號(hào)的產(chǎn)生8.2I/O控制方式主機(jī)與外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送控制方式(即I/O控制方式)主要有三種：程序控制方式、中斷控制方式和直接存儲(chǔ)器存取(DMA)方式。8.2.1程序控制方式程序控制方式是指在程序控制下進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳送方式。它又分為無條件傳送和程序查詢傳送兩種。1.無條件傳送方式優(yōu)點(diǎn)：控制程序簡單。缺點(diǎn)：必須是在外設(shè)已準(zhǔn)備好的情況下才能使用，否則，傳送就會(huì)出錯(cuò)。

2.程序查詢傳送方式優(yōu)點(diǎn)：比無條件傳送要準(zhǔn)確和可靠。

缺點(diǎn)：

（1）CPU的利用率低；（2）不能滿足實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)對(duì)I/O處理的要求。

準(zhǔn)備好？讀取狀態(tài)信息輸入數(shù)據(jù)是否圖8.5查詢式輸入程序流程圖忙？讀取狀態(tài)信息輸出數(shù)據(jù)否是圖8.6查詢式輸出程序流程圖8.2.2中斷控制方式與程序查詢方式相比，中斷控制方式的數(shù)據(jù)交換具有如下特點(diǎn):(1)提高了CPU的工作效率;(2)外圍設(shè)備具有申請(qǐng)服務(wù)的主動(dòng)權(quán);(3)CPU可以和外設(shè)并行工作;(4)可適合實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)I/O處理的要求。8.2.3DMA方式1.DMA的基本概念采用程序控制方式以及中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，都是靠CPU執(zhí)行程序指令來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入/輸出的。采用程序控制方式及中斷方式時(shí)，數(shù)據(jù)的傳輸率不會(huì)很高。對(duì)于高速外設(shè)，如高速磁盤裝置或高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，采用這樣的傳送方式，往往滿足不了其數(shù)據(jù)傳輸率的要求。例如，對(duì)于磁盤裝置，其數(shù)據(jù)傳輸率通常在20萬字節(jié)/秒以上，即傳輸一個(gè)字節(jié)的時(shí)間要小于5μs。對(duì)于通常的PC機(jī)來說，執(zhí)行一條程序指令平均需要幾μs時(shí)間。顯然，采用程序控制或中斷方式不能滿足這種高速外設(shè)的要求。由此產(chǎn)生不需要CPU干預(yù)(不需CPU執(zhí)行程序指令)，而在專門硬件控制電路控制之下進(jìn)行的外設(shè)與存儲(chǔ)器間直接數(shù)據(jù)傳送的方式，稱為直接存儲(chǔ)器存取(DirectMemoryAccess)，簡稱DMA方式。這一專門的硬件控制電路稱為DMA控制器，簡稱DMAC。CPU外設(shè)存儲(chǔ)器總線：執(zhí)行程序指令的數(shù)據(jù)傳送路徑；：DMA方式的數(shù)據(jù)傳送路徑圖8.7兩種不同的數(shù)據(jù)傳送路徑2.幾種不同形式的DMA傳送內(nèi)存外設(shè)DMAC輸出輸入外設(shè)外設(shè)DMAC內(nèi)存內(nèi)存DMAC圖8.8DMA傳送的幾種形式8.3DMA技術(shù)8.3.1DMA控制器的基本功能

(1)能接收I/O接口的DMA請(qǐng)求，并向CPU發(fā)出總線請(qǐng)求信號(hào)；

(2)當(dāng)CPU發(fā)出總線回答信號(hào)后，接管對(duì)總線的控制，進(jìn)入DMA傳送過程；

(3)能實(shí)現(xiàn)有效的尋址，即能輸出地址信息并在數(shù)據(jù)傳送過程中自動(dòng)修改地址；

(4)能向存儲(chǔ)器和I/O接口發(fā)出相應(yīng)的讀/寫控制信號(hào)；

(5)能控制數(shù)據(jù)傳送的字節(jié)數(shù)，控制DMA傳送是否結(jié)束；

(6)在DMA傳送結(jié)束后，能釋放總線給CPU，恢復(fù)CPU對(duì)總線的控制。8.3.2DMA控制器的一般結(jié)構(gòu)一個(gè)單通道DMA控制器的一般結(jié)構(gòu)及其與I/O接口的連接如圖8.9所示。圖8.9的上半部分是I/O接口，下半部分是DMA控制器。計(jì)數(shù)結(jié)束信號(hào)（可作為中斷請(qǐng)求信號(hào)）控制寄存器

狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)輸入寄存器數(shù)據(jù)輸出寄存器控制寄存器

狀態(tài)寄存器地址寄存器字節(jié)計(jì)數(shù)寄存器數(shù)據(jù)總線控制總線數(shù)據(jù)總線控制總線地址總線地址總線地址譯碼器

DMA控制器DMA請(qǐng)求DMA響應(yīng)中斷請(qǐng)求外設(shè)I/O接口總線回答總線請(qǐng)求圖8.9DMA控制器的一般結(jié)構(gòu)及其與I/O接口的連接8.3.3DMA控制器的工作方式DMA控制器的工作方式通常有“單字節(jié)傳輸方式”、“塊傳輸方式”以及“請(qǐng)求傳輸方式”等。1.單字節(jié)傳輸方式在單字節(jié)傳輸方式下，DMA控制器每次請(qǐng)求總線只傳送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，傳送完后即釋放總線控制權(quán)。在此方式下，總線控制權(quán)處于CPU與DMA控制器交替控制之中，其間，總線控制權(quán)經(jīng)過多次交換。2.塊傳輸方式(也稱成組傳輸方式)塊傳輸方式是指DMA控制器每次請(qǐng)求總線即連續(xù)傳送一個(gè)數(shù)據(jù)塊，待整個(gè)數(shù)據(jù)塊全部傳送完成后再釋放總線控制權(quán)。3.請(qǐng)求傳輸方式每傳輸完一個(gè)字節(jié)，DMA控制器都要檢測(cè)由I/O接口發(fā)來的“DMA請(qǐng)求”信號(hào)是否仍然有效，如果該信號(hào)仍有效，則繼續(xù)進(jìn)行DMA傳輸；否則，就暫停傳輸，交還總線控制權(quán)給CPU，直至“DMA請(qǐng)求”信號(hào)再次變?yōu)橛行?，?shù)據(jù)塊傳輸則從剛才暫停的那一點(diǎn)繼續(xù)進(jìn)行下去。8.3.4DMA工作過程在DMA方式下，往往傳送的是一個(gè)數(shù)據(jù)塊，但傳送這個(gè)數(shù)據(jù)塊的具體操作方式，可以采用上面介紹的單字節(jié)傳輸方式，也可采用塊傳輸或請(qǐng)求傳輸方式。下面先以從內(nèi)存輸出一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)到外設(shè)的DMA傳送過程為例，具體說明DMA的操作過程。然后再給出以DMA方式輸入一個(gè)數(shù)據(jù)塊的工作過程。以DMA方式從內(nèi)存輸出一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)到外設(shè)的具體工作過程如圖8.10中第①～⑨步所示。(6)

內(nèi)存把數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)總線(7)

接口鎖存數(shù)據(jù)內(nèi)存接口DMA控制器I/O設(shè)備CPU和總線控制邏輯HOLDHLDA

(1)

接口準(zhǔn)備就緒，發(fā)DMA請(qǐng)求(2)

發(fā)總線請(qǐng)求(3)

總線允許

(5)DMA響應(yīng)(9)CPU收回總線控制權(quán)(8)DMA

控制器撤銷總線請(qǐng)求(4)DMA控制器把地址送地址總線數(shù)據(jù)總線控制總線地址總線圖8.10以DMA方式輸出一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的工作過程若從外設(shè)往內(nèi)存輸入一個(gè)數(shù)據(jù)塊(輸入過程)，在單字節(jié)傳輸方式下，其主要工作過程為：（1）I/O接口準(zhǔn)備就緒，向DMA控制器發(fā)“DMA請(qǐng)求”信號(hào)；（2）DMA控制器向CPU發(fā)“總線請(qǐng)求”信號(hào)；（3）CPU向DMA控制器發(fā)“總線回答”信號(hào)；（4）DMA控制器把地址送到地址總線上；（5）DMA控制器向I/O接口發(fā)“DMA響應(yīng)”信號(hào)；（6）DMA控制器發(fā)讀I/O接口信號(hào)，令I(lǐng)/O接口把數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線上；（7）DMA控制器發(fā)寫存儲(chǔ)器信號(hào)，將數(shù)據(jù)寫入由地址總線上的地址所指向的內(nèi)存單元；（8）DMA控制器撤銷總線請(qǐng)求；（9）CPU收回總線控制權(quán)；（10）地址寄存器加1；（11）字節(jié)計(jì)數(shù)寄存器減1；（12）如果字節(jié)計(jì)數(shù)寄存器的值不為零，則返回第（1）步，否則結(jié)束。8.4可編程DMA控制器8237Intel8237是一種功能很強(qiáng)的可編程DMA控制器，目前仍在微機(jī)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。采用5MHz時(shí)鐘時(shí)，其傳輸速率可達(dá)1.6MB/s；一