微處理器與接口技術(shù)：第7章 微型計(jì)算機(jī)和外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳輸

第7章微型計(jì)算機(jī)和外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳輸主要內(nèi)容I/O接口的基本概念I(lǐng)/O端口的編址方式CPU與外設(shè)的數(shù)據(jù)傳送方式I/O端口的地址譯碼及讀寫(xiě)控制I/O接口的基本概念I(lǐng)/O設(shè)備與I/O接口I/O設(shè)備是微機(jī)系統(tǒng)不可缺少的部分輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸入輸出設(shè)備I/O接口位于系統(tǒng)和外設(shè)之間，用來(lái)協(xié)助完成數(shù)據(jù)傳送和控制任務(wù)的邏輯電路接口的本質(zhì)就是實(shí)現(xiàn)外設(shè)的信號(hào)線(xiàn)與CPU三大總線(xiàn)的轉(zhuǎn)換和連接（接口均有兩側(cè)：總線(xiàn)、外設(shè)）例如:PC系統(tǒng)板上的可編程接口芯片、總線(xiàn)插槽的插接板（適配器）I/O接口的基本概念I(lǐng)/O設(shè)備與I/O接口接口技術(shù)把由處理器等組成的基本系統(tǒng)與外部設(shè)備連接起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與外設(shè)通信的一門(mén)技術(shù)構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)軟硬件的綜合完成某一特定的接口任務(wù)I/O接口的基本概念I(lǐng)/O設(shè)備與I/O接口為什么需要I/O接口？外設(shè)多種多樣工作原理、驅(qū)動(dòng)方式、信息格式、工作速度等彼此差別很大I/O設(shè)備不能直接與計(jì)算機(jī)相連，必須通過(guò)I/O接口才能連接I/O接口的基本概念I(lǐng)/O接口的功能數(shù)據(jù)緩沖功能作為微機(jī)與外設(shè)間傳送數(shù)據(jù)的緩沖站設(shè)備選擇功能用來(lái)正確尋址與微機(jī)交換數(shù)據(jù)的外設(shè)提供聯(lián)絡(luò)信號(hào)提供計(jì)算機(jī)與外設(shè)交換數(shù)據(jù)所需的控制信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)信息格式的轉(zhuǎn)換電平、并串、數(shù)模中斷管理功能可編程功能I/O接口的基本概念I(lǐng)/O接口傳送信息的類(lèi)型數(shù)據(jù)信息數(shù)字量模擬量開(kāi)關(guān)量狀態(tài)信息反映外設(shè)當(dāng)前所處的工作狀態(tài)作為CPU與外設(shè)間可靠交換信息的條件輸入設(shè)備：Ready輸出設(shè)備：Busy控制信息用于控制外設(shè)的啟動(dòng)和停止給出用于設(shè)置接口工作方式的命令字I/O接口的基本概念I(lǐng)/O接口的基本結(jié)構(gòu)I/O端口CPU和外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，各類(lèi)信息在接口中進(jìn)入不同的寄存器每一個(gè)這樣的寄存器被稱(chēng)為一個(gè)I/O端口每一個(gè)端口分配一個(gè)地址——端口地址I/O操作是指I/O端口操作接口中的端口通常分為:數(shù)據(jù)端口、狀態(tài)端口、控制端口端口地址譯碼器輸入/輸出控制邏輯（讀/寫(xiě)控制）I/O接口的基本概念I(lǐng)/O接口的基本結(jié)構(gòu)I/O接口的編址方式I/O端口和存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址（存儲(chǔ)器映射方式）編址方式：將I/O端口和存儲(chǔ)單元統(tǒng)一看待，一起編址I/O空間是存儲(chǔ)空間的一部分I/O端口地址也是一個(gè)存儲(chǔ)單元地址，它們的區(qū)別是通過(guò)不同的地址編碼實(shí)現(xiàn)的，而無(wú)須使用專(zhuān)門(mén)的I/O指令Motorola的MC68000系列采用的是這種編址方式I/O接口的編址方式I/O端口和存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址（存儲(chǔ)器映射方式）優(yōu)點(diǎn)：可使用豐富的訪存指令訪問(wèn)I/O端口，操作方便、靈活讀寫(xiě)控制邏輯簡(jiǎn)單I/O端口數(shù)目只受存儲(chǔ)容量限制缺點(diǎn)：占用了存儲(chǔ)器的一部分地址空間訪存指令比專(zhuān)用的I/O指令執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)I/O程序部分不夠清晰I/O接口的編址方式I/O端口和存儲(chǔ)器獨(dú)立編址（I/O映射方式）編址方式：將I/O端口和存儲(chǔ)單元分開(kāi)編址I/O空間和存儲(chǔ)空間互相獨(dú)立的使用專(zhuān)門(mén)的I/O指令對(duì)端口進(jìn)行讀寫(xiě)，I/O端口和存儲(chǔ)單元的地址區(qū)分方法是通過(guò)設(shè)置專(zhuān)門(mén)的控制線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的Intel的80x860系列、Zilog系列采用這種編址方式80x86采用此方式時(shí)，可尋址的I/O空間最大為：216=64KB使用的地址線(xiàn)為A0—A15，I/O地址空間為0—FFFFHPC機(jī)中只使用A0—A9，I/O地址空間為0—3FFHI/O接口的編址方式I/O端口和存儲(chǔ)器獨(dú)立編址（I/O映射方式）優(yōu)點(diǎn)：I/O端口地址不占用了存儲(chǔ)器的地址空間I/O指令執(zhí)行時(shí)間短使用專(zhuān)用的I/O指令，程序清晰缺點(diǎn)：I/O指令較少，程序設(shè)計(jì)不夠方便、靈活讀寫(xiě)控制邏輯復(fù)雜簡(jiǎn)單I/O數(shù)據(jù)傳送方式控制方式目的是實(shí)現(xiàn)不同步的CPU和I/O設(shè)備兩者之間正確有效的數(shù)據(jù)傳送有4種：無(wú)條件傳送方式查詢(xún)傳送方式中斷傳送方式DMA方式程序控制方式I/O數(shù)據(jù)傳送方式無(wú)條件傳送方式指CPU不管外設(shè)的狀態(tài)，在需要和外設(shè)交換信息的時(shí)候，就用輸入或輸出指令和外設(shè)交換信息無(wú)條件傳送主要用于外設(shè)總是處于準(zhǔn)備好的狀態(tài)，常用于簡(jiǎn)單外設(shè)例如：發(fā)光二極管（輸出設(shè)備）、開(kāi)關(guān)（輸入設(shè)備）為保證數(shù)據(jù)可靠傳送：外設(shè)必須隨時(shí)準(zhǔn)備就緒接口電路簡(jiǎn)單只需要數(shù)據(jù)信息的傳送數(shù)據(jù)輸入端口：數(shù)據(jù)輸入緩沖器（三態(tài)）數(shù)據(jù)輸出端口：輸出鎖存器I/O數(shù)據(jù)傳送方式無(wú)條件傳送方式軟件編程直接使用輸入/輸出指令（IN、OUT）舉例：書(shū)P190例7-1：硬件電路、軟件編程思考：接口電路中的端口地址譯碼電路如何設(shè)計(jì)？接口電路的讀、寫(xiě)控制電路如何設(shè)計(jì)？該例題中輸入、輸出端口能否使用同一個(gè)端口地址？I/O數(shù)據(jù)傳送方式控制開(kāi)關(guān)K0～K2打開(kāi)則對(duì)應(yīng)發(fā)光二極管Q0～Q2亮開(kāi)關(guān)閉合則對(duì)應(yīng)發(fā)光二極管不亮16I/O數(shù)據(jù)傳送方式DON：INAL，IN_PORT ；讀入B口開(kāi)關(guān)狀態(tài) XORAL，0FFH ；求反 OUTOUT_PORT，AL;點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)發(fā)光二極管JMPDONHLT17I/O數(shù)據(jù)傳送方式查詢(xún)傳送方式CPU要遵循“先查詢(xún)，后傳送”的原則，CPU需要先了解（查詢(xún)）外設(shè)的工作狀態(tài)，然后在外設(shè)可以交換信息的情況下（就緒）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入或輸出對(duì)多個(gè)外設(shè)的情況，則CPU按一定順序依次查詢(xún)（輪詢(xún)）。先查詢(xún)的外設(shè)將優(yōu)先進(jìn)行數(shù)據(jù)交換查詢(xún)式傳送的一般流程：先從狀態(tài)口讀入狀態(tài)字；如果狀態(tài)是“就緒”，開(kāi)始傳送；如果狀態(tài)是“沒(méi)有就緒”，則繼續(xù)查詢(xún)，直到“就緒”，才開(kāi)始傳送

查詢(xún)傳送的特點(diǎn)：工作可靠，適用面寬，控制程序簡(jiǎn)單，但CPU工作效率降低I/O數(shù)據(jù)傳送方式查詢(xún)傳送方式查詢(xún)式輸入接口電路數(shù)據(jù)輸入端口狀態(tài)輸入端口端口地址譯碼電路、讀/寫(xiě)控制電路舉例：書(shū)P192圖7-3-3軟件編程流程圖：書(shū)P191圖7-3-2程序段：書(shū)P191I/O數(shù)據(jù)傳送方式查詢(xún)式輸入：20I/O數(shù)據(jù)傳送方式21輸入輸出傳送方式查詢(xún)輸入的部分程序：

MOV DX，STATUS_PORT ；DX指向狀態(tài)端口START： IN AL，DX ；讀狀態(tài)端口信息

TEST AL，80H ；測(cè)試狀態(tài)標(biāo)志位D7，

JZ START ；D7=0，外設(shè)未準(zhǔn)備好，繼續(xù)查詢(xún)

MOV DX，DATA_PORT ；DX指向數(shù)據(jù)端口

INAL,DX ；從數(shù)據(jù)端口輸入數(shù)據(jù)

RET22I/O數(shù)據(jù)傳送方式查詢(xún)傳送方式查詢(xún)式輸出接口電路數(shù)據(jù)輸出端口狀態(tài)輸入端口端口地址譯碼電路、讀/寫(xiě)控制電路舉例：書(shū)P192圖7-3-5軟件編程流程圖：書(shū)P192圖7-3-4程序段：書(shū)P193I/O數(shù)據(jù)傳送方式查詢(xún)式輸出：24I/O數(shù)據(jù)傳送方式25I/O數(shù)據(jù)傳送方式26查詢(xún)式輸出的相應(yīng)程序段為：

MOV DX，STATUS_PORT；DX指向狀態(tài)端口START： IN AL，DX ；讀狀態(tài)端口信息

TEST AL，01H ；測(cè)試狀態(tài)標(biāo)志位D7，

JNZ START ；D7=0，繼續(xù)查詢(xún)

MOV DX，DATA_PORT ；DX指向數(shù)據(jù)端口

MOV AL，BUF ；取數(shù)據(jù)

OUT DX，AL ；向外設(shè)輸出數(shù)據(jù)

RETI/O數(shù)據(jù)傳送方式查詢(xún)傳送方式在編寫(xiě)查詢(xún)式傳送程序前，要先確定兩個(gè)問(wèn)題狀態(tài)信號(hào)的位置：狀態(tài)信號(hào)連接在數(shù)據(jù)線(xiàn)D0~D7中的第幾位狀態(tài)信號(hào)的有效電平：即是高電平表示準(zhǔn)備好（忙），還是低電平表示外設(shè)準(zhǔn)備好（忙）綜合舉例：書(shū)P193例7-4要求掌握硬件：CPU和簡(jiǎn)單接口之間三總線(xiàn)的連接軟件：IN、OUT指令的使用（尋址方式）簡(jiǎn)單輸入/輸出程序編寫(xiě)、查詢(xún)式程序編寫(xiě)例如圖7-3-6所示，試編程實(shí)現(xiàn)將48000H為首地址的順序100個(gè)單元的數(shù)據(jù)，利用查詢(xún)方式輸出到外設(shè)。2829程序如下：START:MOVAX,4000H MOVDS,AX MOVSI,8000H MOVCX,100GOON:MOVDX,00F1HWAIT: INAL,DX ANDAL,01H JZWAIT MOVAL,[SI]MOVDX,00F0H OUTDX,AL INCSI LOOPGOONRETI/O數(shù)據(jù)傳送方式查詢(xún)方式的優(yōu)點(diǎn)：CPU和外設(shè)之間可以很好地配合工作。缺點(diǎn)：CPU要長(zhǎng)期地查詢(xún)外設(shè)的狀態(tài)，查詢(xún)實(shí)際上就是一種等待。CPU長(zhǎng)期的等待會(huì)影響CPU的工作效率。30I/O數(shù)據(jù)傳送方式中斷傳送方式查詢(xún)傳送方式明顯的缺點(diǎn)CPU利用率低不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)輸入輸出的需要中斷傳送方式的工作過(guò)程CPU在某一時(shí)刻啟動(dòng)某一臺(tái)外設(shè)，然后繼續(xù)執(zhí)行其主程序當(dāng)外設(shè)處于就緒狀態(tài)時(shí)，可向CPU發(fā)出“中斷請(qǐng)求”信號(hào)CPU響應(yīng)中斷，暫停當(dāng)前執(zhí)行的主程序進(jìn)入中斷服務(wù)程序，與外設(shè)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)交換操作完成后再返回被中斷的主程序，繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)的主程序I/O數(shù)據(jù)傳送方式中斷傳送方式中斷方式的優(yōu)點(diǎn)提高CPU的工作效率在外設(shè)未準(zhǔn)備就緒時(shí)，CPU可以執(zhí)行主程序，不用等待；CPU和外設(shè)可以并行工作通常CPU在執(zhí)行每一條指令的末尾處會(huì)檢查外設(shè)是否有中斷請(qǐng)求，這種查詢(xún)是由硬件完成的，不占用CPU的工作時(shí)間當(dāng)連接多臺(tái)外設(shè)時(shí)，可保證實(shí)時(shí)性的要求中斷方式的缺點(diǎn)需要中斷邏輯電路支持，硬件電路較復(fù)雜中斷程序設(shè)計(jì)和調(diào)試較復(fù)雜

中斷傳送流程返回I/O數(shù)據(jù)傳送方式DMA方式程序控制方式數(shù)據(jù)傳送通過(guò)執(zhí)行指令來(lái)完成的只能實(shí)現(xiàn)CPU寄存器與I/O端口的傳送，當(dāng)外設(shè)和存儲(chǔ)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，需借助CPU進(jìn)行中轉(zhuǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)塊傳送時(shí)，地址指針的調(diào)整，計(jì)數(shù)器的修改都必須通過(guò)指令來(lái)實(shí)現(xiàn)采用中斷方式時(shí)，在中斷處理時(shí)要“保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)”和“恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)”等，要占用一定時(shí)間，這樣每傳送一個(gè)字節(jié)大約要幾十微秒到幾百微秒，這對(duì)于高速外設(shè)就顯得太慢了DMA方式：直接存儲(chǔ)器存取方式可直接實(shí)現(xiàn)I/O設(shè)備與存儲(chǔ)器的信息交換，且交換過(guò)程是在硬件（DMA控制器）控制下完成的，不受CPU軟件控制I/O數(shù)據(jù)傳送方式DMA方式DMA方式下，要求CPU讓出這些總線(xiàn)，即要求CPU相應(yīng)的引腳輸出為高阻狀態(tài)，系統(tǒng)總線(xiàn)由DMA控制器接管這些，產(chǎn)生相應(yīng)的總線(xiàn)信號(hào)DMA傳送的工作過(guò)程書(shū)P195圖7-3-7I/O數(shù)據(jù)傳送方式36返回I/O數(shù)據(jù)傳送方式DMA方式DMA控制器的功能能接受外設(shè)的DMA請(qǐng)求信號(hào)DREQ，并能向外設(shè)發(fā)出DMA響應(yīng)信號(hào)DACK；能向CPU發(fā)出總線(xiàn)請(qǐng)求信號(hào)（HOLD），當(dāng)CPU發(fā)出總線(xiàn)響應(yīng)信號(hào)（HLDA）后能接管對(duì)總線(xiàn)的控制權(quán)，進(jìn)入DMA方式；能發(fā)出地址信息，對(duì)存儲(chǔ)器尋址并修改地址指針；能向存儲(chǔ)器和外設(shè)發(fā)出讀/寫(xiě)控制信號(hào)；能決定傳送的字節(jié)數(shù)，并能判斷DMA傳送是否結(jié)束；能發(fā)出DMA結(jié)束信號(hào)，釋放總線(xiàn)，讓CPU重新獲得總線(xiàn)控制權(quán)I/O數(shù)據(jù)傳送方式DMA方式——DMAC的操作方式（1）單字節(jié)方式在單字節(jié)操作方式下，DMA控制器操作每次只傳送一個(gè)字節(jié)。即獲得總線(xiàn)控制權(quán)后，每傳送完一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，便將總線(xiàn)控制權(quán)還給CPU，按這種工作方式，即使有一個(gè)數(shù)據(jù)塊要傳送，也只能傳送完一個(gè)字節(jié)后，由DMA控制器重新向CPU申請(qǐng)總線(xiàn)。（2）字組方式字組操作方式也叫請(qǐng)求方式或查詢(xún)方式。這種方式下一個(gè)DMA請(qǐng)求能夠連續(xù)傳送一批數(shù)據(jù)。在此期間，DMA控制器一直保持總線(xiàn)控制權(quán)。當(dāng)DMA請(qǐng)求無(wú)效，數(shù)據(jù)傳送結(jié)束，或檢索到匹配字節(jié)，以及外加一個(gè)過(guò)程結(jié)束信號(hào)時(shí)，DMA控制器便釋放總線(xiàn)控制權(quán)。（3）連續(xù)方式連續(xù)操作方式是指在數(shù)據(jù)塊傳送的整個(gè)過(guò)程中，不管DMA請(qǐng)求是否撤消，DMA控制器始終控制著總線(xiàn)。除非傳送結(jié)束或檢索到“匹配字節(jié)”，才把總線(xiàn)控制權(quán)交回CPU。在傳送過(guò)程中，當(dāng)DMA請(qǐng)求失效時(shí)，DMA控制器將等待它變?yōu)橛行?，卻并不釋放總線(xiàn)。39I/O端口的地址譯碼及讀寫(xiě)控制端口的操作使用指令I(lǐng)N、OUT輸入輸出總線(xiàn)周期端口地址有效I/O讀寫(xiě)信號(hào)有效IOR、IOWM/IO、RD、WRI/O端口的地址譯碼及讀寫(xiě)控制I/O端口的地址譯碼端口的地址空間分配地址譯碼器件的選用利用門(mén)電路進(jìn)行地址譯碼3-8譯碼器參與譯碼的信號(hào)地址線(xiàn)A0~A15（A0~A9）控制信號(hào)M/IOAEN