IO同步控制方式及應(yīng)用課件

國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院示范教學(xué)徐曉紅副教授1.

I/O同步控制方式概述2.程序查詢式控制3.中斷驅(qū)動(dòng)式控制4.DMA傳輸式控制5.延時(shí)等待式控制I/O同步控制方式及應(yīng)用I/O同步控制方式及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)思想

采取硬件結(jié)構(gòu)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，逐次遞進(jìn)式的教學(xué)方法，突出硬件與軟件結(jié)合的接口設(shè)計(jì)理念。

利用多媒體動(dòng)畫生動(dòng)表現(xiàn)重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容。

采用建構(gòu)式教學(xué)模式、啟發(fā)式和研討式教學(xué)方法。

由搬運(yùn)救援物資而想到的同步控制……1.I/O同步控制方式概述

I/O同步控制方式是微機(jī)基本系統(tǒng)與I/O外設(shè)之間數(shù)據(jù)傳送的管理方法，是微機(jī)系統(tǒng)的一種調(diào)度策略。1.2為什么要進(jìn)行I/O同步控制?1.1何謂I/O同步控制

這是由CPU與外設(shè)之間本身不同步所決定的。下面通過一個(gè)例子來說明。MPU接口外設(shè)數(shù)據(jù)輸入緩存器數(shù)據(jù)輸出緩存器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)ABIOR/IOW例1.

輸入/輸出過程舉例

輸入過程：

輸出過程：②、③由輸入指令完成①、②由輸出指令完成輸入輸出1.I/O同步控制方式概述②①③②①③若不加控制,輸入會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象?1.3常用I/O同步控制方式1.I/O同步控制方式概述I/O設(shè)備的同步控制方式通常有四種：

程序查詢式控制

中斷驅(qū)動(dòng)式控制

直接存儲(chǔ)器存取式控制

延時(shí)等待式控制典型接口部件程序查詢式控制方式教學(xué)設(shè)計(jì)輸入接口硬件結(jié)構(gòu)輸入接口工作流程輸入接口軟件驅(qū)動(dòng)輸出接口硬件結(jié)構(gòu)輸入輸出接口硬件結(jié)構(gòu)

接口結(jié)構(gòu)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，漸進(jìn)式學(xué)習(xí)方法2.程序查詢式控制2.1特點(diǎn)

I/O操作總是由MPU通過程序查詢外設(shè)的狀態(tài)來啟動(dòng)，即總是MPU主動(dòng)，I/O被動(dòng)。MPU查詢2.程序查詢式控制狀態(tài)寄存器2.2硬件接口結(jié)構(gòu)MPU外部設(shè)備地址譯碼數(shù)據(jù)緩沖寄存器控制邏輯觸發(fā)信號(hào)Di查詢信號(hào)Ps&IORIORIOW數(shù)據(jù)&PdABDB

無論輸入還是輸出，除數(shù)據(jù)端口外，必須有狀態(tài)端口。

輸入接口動(dòng)畫演示輸入狀態(tài)信息輸入數(shù)據(jù)狀態(tài)位復(fù)位數(shù)據(jù)就緒？(b)工作流程N(yùn)Y2.程序查詢式控制&數(shù)據(jù)鎖存三態(tài)緩沖器(8位)三態(tài)緩沖器(1位)&地址譯碼選通>DQ數(shù)據(jù)+5V準(zhǔn)備就緒觸發(fā)器PdDiDBMPUIORREADYPsR輸入設(shè)備ABDB(a)硬件結(jié)構(gòu)成批數(shù)據(jù)輸入，如何處理？

輸出接口除數(shù)據(jù)端口外，必須有狀態(tài)端口狀態(tài)端口和輸入數(shù)據(jù)端口必須有三態(tài)輸出功能說明：(b)工作流程輸入狀態(tài)信息輸出數(shù)據(jù)狀態(tài)位復(fù)位YN忙否？MPUQD輸出設(shè)備數(shù)據(jù)鎖存器三態(tài)緩沖器(1位)&地址譯碼數(shù)據(jù)PdPsDBIOW(a)硬件結(jié)構(gòu)忙觸發(fā)器RACK狀態(tài)信息+5VDiABIOR&2.程序查詢式控制當(dāng)系統(tǒng)中有多個(gè)I/O設(shè)備時(shí)，該如何處理？2.程序查詢式控制拓展一：多外設(shè)的處理？2.程序查詢式控制拓展二：基于雙MPU的單向數(shù)據(jù)傳輸接口硬件結(jié)構(gòu)三態(tài)緩沖器(8位)三態(tài)緩沖器(1位)地址譯碼PdMPU1DiREADYABDB&PsIOR&MPU2數(shù)據(jù)鎖存器三態(tài)緩沖器(1位)&地址譯碼PdPsDBIOW忙觸發(fā)器ACK狀態(tài)信息+5VDiABQDRIOR&輸入接口輸出接口OBFIBF

課后思考題1.依據(jù)課堂上討論的基于雙MPU的單向數(shù)據(jù)傳輸接口硬件結(jié)構(gòu)，編寫軟件流程。2.是否可設(shè)計(jì)單MPU的數(shù)據(jù)傳輸接口硬件結(jié)構(gòu)?以小組為單位討論。它是一種天然的同步控制機(jī)構(gòu)，能很好地協(xié)調(diào)MPU與外設(shè)之間的工作，數(shù)據(jù)傳送可靠。接口簡(jiǎn)單,硬件電路不多，查詢程序也不復(fù)雜。

在MPU使用效率與響應(yīng)實(shí)時(shí)性間有矛盾,軟件開銷大，MPU使用效率低。

缺點(diǎn)：

這種I/O控制方式是優(yōu)是劣，不能一概而論,要看具體應(yīng)用場(chǎng)合。2.3評(píng)價(jià)

優(yōu)點(diǎn)：2.程序查詢式控制動(dòng)畫演示3.中斷驅(qū)動(dòng)式控制

每次I/O操作都是由I/O設(shè)備向MPU發(fā)中斷請(qǐng)求而啟動(dòng)的，即I/O主動(dòng)，MPU被動(dòng)。3.1輸入接口電路結(jié)構(gòu)中斷請(qǐng)求觸發(fā)器輸入設(shè)備狀態(tài)信號(hào)&數(shù)據(jù)鎖存器三態(tài)緩存器1MPU地址譯碼>數(shù)據(jù)RDYD+5VQIORDBABINTCP>3.2評(píng)價(jià)I/O設(shè)備較多時(shí)，硬件復(fù)雜，需以一系列中斷邏輯電路作為支持；因?yàn)橹袛喾绞奖旧硎且环N異步控制機(jī)構(gòu)，中斷請(qǐng)求信號(hào)的出現(xiàn)完全是隨機(jī)的,故軟件開發(fā)和調(diào)試比程序查詢式復(fù)雜、困難。缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：既能節(jié)省MPU時(shí)間,提高計(jì)算機(jī)使用效率，又能使I/O設(shè)備的服務(wù)請(qǐng)求得到及時(shí)響應(yīng)，較好地解決了效率與實(shí)時(shí)性間的矛盾。

鑒于上述原因，如不是實(shí)時(shí)性要求很高、非使用中斷驅(qū)動(dòng)式控制不可的地方，還是盡量用程序查詢式控制為好，或者把兩種控制方式結(jié)合起來。3.中斷驅(qū)動(dòng)式控制4.DMA傳輸式控制I/O設(shè)備必須通過MPU才能和存儲(chǔ)器交換信息。每次I/O操作引發(fā)后的具體數(shù)據(jù)傳輸過程都是由軟件控制完成的。

DMA方式是針對(duì)上述缺陷而引入的,它無需MPU介入，進(jìn)入DMA工作狀態(tài)后，數(shù)據(jù)完全是在硬件控制下在I/O設(shè)備和存儲(chǔ)器間直接交換，因此速度可大大提高。前兩種的共同特點(diǎn)是：

DMA方式使用一種稱之為DMA控制器（DMAC)的專用處理器硬件來完成I/O與存儲(chǔ)器之間的高速數(shù)據(jù)傳送控制。它有主控和受控兩種方式：

主控方式下,DMAC具有三大總線的控制能力，可以獨(dú)立訪問存儲(chǔ)器與I/O端口；受控方式下，它相當(dāng)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的I/O接口。DMAC通常有三種從MPU接管總線的方式：

DMA控制器（DMAC）使MPU暫時(shí)放棄總線控制權(quán)暫停MPU時(shí)鐘脈沖竊取MPU空閑時(shí)間4.DMA傳輸式控制動(dòng)畫演示

DMA操作過程示意MPUDMAC存儲(chǔ)器外部設(shè)備地址總線數(shù)據(jù)線(a)DMA請(qǐng)求階段HOLDDMAREQMPUDMAC存儲(chǔ)器外部設(shè)備(b)DMA響應(yīng)和傳數(shù)階段HLDADMAACKIOR/IOWMEMW/MEMRMPUDMAC存儲(chǔ)器外部設(shè)備(c)傳送結(jié)束階段INT計(jì)數(shù)到4.DMA傳輸式控制

DMAC的典型結(jié)構(gòu)MEMR/MEMW總線接口優(yōu)先權(quán)編碼與

總線

判決器地址寄存器字節(jié)寄存器狀態(tài)寄存器控制寄存器通道2數(shù)據(jù)鏈接寄存器總線控制邏輯通道3系統(tǒng)AB,DBIOR/IOWBUSRQBUSAKINT級(jí)聯(lián)線內(nèi)總線通道1DMARQ1DACK1DMARQ2DACK2DMARQ3DACK34.DMA傳輸式控制