第三章 微型計算機(jī)和外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸

第3章微型計算機(jī)和外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸為什么要用接口電路CPU和輸入輸出設(shè)備之間的信號接口部件的I/O端口CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式教師：李軍Email：dpi_Lijun@163.com1為什么要用接口電路什么是接口：接口是指通過三總線與CPU相連的外圍芯片或部件。接口電路按功能可分為兩類:使微處理器正常工作所需的輔助電路。輸入輸出接口電路。為什么要用接口電路輸入/輸出功能：接口要根據(jù)送來的讀/寫信號決定當(dāng)前進(jìn)行的是輸入操作還是輸出操作，并且隨之能從總線上接收來自CPU的數(shù)據(jù)和控制信息，或者將數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息送到總線上。第三章

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3為什么要用接口電路

CPU和輸入輸出設(shè)備之間的信號接口部件的I/O端口教師：李軍Email：dpi_Lijun@163.com1為什么要用接口電路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能：接口不但要從外設(shè)輸入數(shù)據(jù)或者將數(shù)據(jù)送往外部設(shè)備，并且要把CPU輸出的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成所連的外設(shè)可接受的格式（比如串行格式）；或者反過來，把從外設(shè)輸入的信息轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)送往CPU。聯(lián)絡(luò)功能：當(dāng)接口從總線上接收一個數(shù)據(jù)以后，或者在把一個數(shù)據(jù)送到總線上以后，能發(fā)一個就緒信號，以通知CPU，數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)完成，從而可以準(zhǔn)備進(jìn)行下一次傳輸。中斷管理功能：作為中斷控制器的接口應(yīng)該具有發(fā)送中斷請求信號和接收中斷響應(yīng)信號的功能，而且還有發(fā)送中斷類型號的功能，此外，如果總線控制邏輯中沒有中斷優(yōu)先級管理電路，那么，接口還應(yīng)該具有優(yōu)先級管理功能。教師：李軍Email：dpi_Lijun@163.com1為什么要用接口電路復(fù)位功能：接口應(yīng)該能接受復(fù)位信號，從而能使接口本身以及所連的外設(shè)進(jìn)行重新啟動?？删幊坦δ埽盒枰密浖碓O(shè)置接口的工作方式和設(shè)置控制信號，因此接口應(yīng)該有可編程功能。錯誤檢測功能：在接口設(shè)計中，常常要考慮對錯誤的檢測問題。一般可編程接口芯片可檢測下列兩類錯誤：一類是傳輸錯誤。因?yàn)榻涌诤驮O(shè)備之間的連線常常受噪聲干擾，從而引起傳輸錯誤，接口常采用奇/偶校驗(yàn)位對傳輸錯誤進(jìn)行檢測。另一類是覆蓋錯誤。當(dāng)輸入數(shù)據(jù)時，如果計算機(jī)還沒有取走數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)緩沖寄存器由于某種原因又被裝上了新的數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)丟失；就會產(chǎn)生一個覆蓋錯誤，輸出數(shù)據(jù)類似。教師：李軍Email：dpi_Lijun@163.com2CPU和輸入輸出設(shè)備之間的信號從功能上，信號可分為：數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)通常為8位或16位,又分為：數(shù)字量：二進(jìn)制形式的數(shù)據(jù)或是以ASCII碼表示的數(shù)據(jù)及字符，通常是8位的。模擬量：連續(xù)變化的物理量。開關(guān)量：用1位二進(jìn)制數(shù)表示。狀態(tài)信息：反映了當(dāng)前外設(shè)所處的工作狀態(tài)，是外設(shè)通過接口往CPU傳送的?？刂菩畔ⅲ菏荂PU通過接口傳送給外設(shè)的，CPU通過發(fā)送控制信息控制外設(shè)的工作。三類信息都通過數(shù)據(jù)總線來傳送，但在接口中，用不同的寄存器分別存放這三種信息。第三章

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3為什么要用接口電路

CPU和輸入輸出設(shè)備之間的信號

接口部件的I/O端口教師：李軍Email：dpi_Lijun@163.com3接口部件的I/O端口I/O端口分類：CPU和外設(shè)交換信息實(shí)際上是通過接口的I/O端口進(jìn)行，端口分為：數(shù)據(jù)端口：用于存放CPU讀寫的數(shù)據(jù)

。通常包括數(shù)據(jù)輸入端口和數(shù)據(jù)輸出端口。狀態(tài)端口：用來存放外設(shè)或接口本身的狀態(tài)?？刂贫丝诨蛎疃丝冢捍娣臗PU發(fā)出的命令。外設(shè)和系統(tǒng)的連接圖第三章

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4CPU和輸入輸出設(shè)備之間的信號

接口部件的I/O端口CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式教師：李軍Email：dpi_Lijun@163.com3接口部件的I/O端口I/O端口地址編址方式統(tǒng)一編址：這種方式，是從存儲空間劃出一部分地址空間給I/O設(shè)備，把I/O接口中的端口當(dāng)作存儲器單元一樣進(jìn)行訪問，不設(shè)置專門的I/O指令。凡對存儲器可以使用的指令均可用于端口。獨(dú)立編址：不占用存儲器空間，微處理器設(shè)置專門的輸入/輸出指令來訪問端口，形成一個獨(dú)立的I/O地址空間，通過控制總線來確定CPU到底要訪問內(nèi)存空間還是I/O空間。8086系統(tǒng)采用了這種I/O端口編址方法。優(yōu)點(diǎn)：輸入/輸出指令和訪問存儲器指令有明顯的區(qū)別，可使程序編制清晰，便于理解。缺點(diǎn)：輸出/輸入指令類型少，一般只能對端口進(jìn)行傳送操作。第三章

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接口部件的I/O端口CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式教師：李軍Email：dpi_Lijun@163.com4CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式程序方式中斷方式DMA方式輸入輸出過程中提出的幾個問題教師：李軍Email：dpi_Lijun@163.com4.1程序方式程序傳送方式是指在程序控制下進(jìn)行信息傳送，分為：無條件傳送方式：適合于那些隨時都能讀、寫數(shù)據(jù)的設(shè)備。它認(rèn)為外設(shè)一直是準(zhǔn)備就緒的，因而不必查詢外設(shè)的狀態(tài)。條件傳送方式：也稱為查詢傳送方式，是指主機(jī)在傳送數(shù)據(jù)之前，要檢查外設(shè)是否“準(zhǔn)備好”，若沒有準(zhǔn)備好，則繼續(xù)查其狀態(tài)，直至外設(shè)準(zhǔn)備好了。條件傳送的三個環(huán)節(jié)：CPU從接口中讀取狀態(tài)字CPU檢測狀態(tài)字傳送數(shù)據(jù)第三章

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4CPU和輸入輸出設(shè)備之間的信號

接口部件的I/O端口

CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式

教師：李軍Email：dpi_Lijun@163.com4.1.1無條件傳送方式無條件傳送方式的工作原理圖第三章

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4CPU和輸入輸出設(shè)備之間的信號

接口部件的I/O端口

CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式

要點(diǎn)簡單外設(shè)作為輸入設(shè)備時，可直接使用三態(tài)緩沖器和數(shù)據(jù)總線相連。簡單外設(shè)作為輸出設(shè)備時，一般都需要鎖存器。教師：李軍Email：dpi_Lijun@163.com4.1.2條件傳送方式查詢式輸入的接口電路第三章

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4CPU和輸入輸出設(shè)備之間的信號

接口部件的I/O端口

CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式

要點(diǎn)CPU從外設(shè)輸入數(shù)據(jù)前要先讀取狀態(tài)字，確認(rèn)是否數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒。CPU是主動的，而外部設(shè)備是被動的。教師：李軍Email：dpi_Lijun@163.com4.1.2條件傳送方式

查詢式輸入過程的流程圖第三章

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接口部件的I/O端口

CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式

教師：李軍Email：dpi_Lijun@163.com4.1.2條件傳送方式查詢式輸出的接口電路第三章

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接口部件的I/O端口

CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式

要點(diǎn)CPU向外設(shè)輸出數(shù)據(jù)前要先讀取狀態(tài)字，確認(rèn)是否設(shè)備準(zhǔn)備就緒。CPU是主動的，而外部設(shè)備是被動的。教師：李軍Email：dpi_Lijun@163.com4.1.3查詢式輸入輸出程序設(shè)計舉例假設(shè)從終端往緩沖區(qū)輸入1個字符行，當(dāng)遇到回車符（0DH）或者字符行超過80個字符時，輸入便結(jié)束，并自動加上1個換行符（0AH）。如果在輸入的81個字符中未見到回車符，則在終端上輸出信息“BUFFEROVERFLOW”。已知條件：字符采用7位ASCII碼表示，其中最高位為偶校驗(yàn)位。接口的數(shù)據(jù)輸入端口地址為0052H，數(shù)據(jù)輸出端口地址為0054H狀態(tài)端口地址為0056H，若輸入緩沖器數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，第1位置1，否則置0；若輸出緩沖器空，第0位置1，否則置0。這兩個狀態(tài)位的置位和復(fù)位是由硬件自動實(shí)現(xiàn)的。第三章

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CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式

教師：李軍Email：dpi_Lijun@163.com4.1.3查詢式輸入輸出程序設(shè)計舉例DATA_SEGSEGMENTMESSAGEDB‘BUFFEROVERFLOW’，0DH，OAH……DATA_SEGENDSCOM_SEGSEGMENTBUFFERDB82DUP(?)；接受緩沖區(qū)

COUNTDW?；計數(shù)器COM_SEGENDS……CODESEGMENTASSUMEDS：DATA_SEG，ES：COM_SEG，CS：CODESTART:MOVAX，DATA_SEG；DS作初始化MOVDS，AXMOVAX，COM_SEGMOVES，AX；對ES作初始化MOVDI，OFFSETBUFFER；計數(shù)器指向緩沖區(qū)首址MOVCOUNT，DIMOVCX，81；字符行長度CLD；清方向標(biāo)志NEXT_IN:INAL，56H；讀入狀態(tài)TESTAL，02H；測狀態(tài)寄存器第1位JZNEXT_IN；未準(zhǔn)備好，則等待，再測第三章

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CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式

教師：李軍Email：dpi_Lijun@163.com4.1.3查詢式輸入輸出程序設(shè)計舉例INAL，52H；準(zhǔn)備好，則輸入字符ORAL，0；校驗(yàn)JPENO_ERROR；校驗(yàn)正確，則轉(zhuǎn)NO_ERRORJMPERROR；校驗(yàn)錯誤，則轉(zhuǎn)ERRORNO_ERROR:ANDAL，7FH；清除校驗(yàn)位STOSB；將字符送緩沖區(qū)CMPAL，0DH；是否為回車符LOOPNENEXT_IN；不是回車，則再輸入JNEOVERFLOW；不是回車且溢出，轉(zhuǎn)OVERFLOWMOVAL，0AH；加一個換行符STOSB；存入緩沖區(qū)SUBDI，COUNT；計算輸入字符數(shù)MOVCOUNT，DI；COUNT中為輸入字符數(shù)……OVERFLOW:MOVSI，OFFSETMESSAGE；SI中為字符串首址MOVCX，17；字符數(shù)NEXT_OUT:INAL，56H；讀狀態(tài)寄存器TESTAL，01H；測狀態(tài)寄存器第0位JZNEXT_OUT；如沒有就緒，則再測LODSB；將字符取到AL中OUT54H，AL；輸出字符LOOPNEXT_OUT；輸出下一個字符第三章

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CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式

教師：李軍Email：dpi_Lijun@163.com4.2中斷方式中斷方式：當(dāng)外設(shè)作好傳送準(zhǔn)備后，主動向CPU請求中斷服務(wù)，CPU在執(zhí)行完每條指令后測試是否有中斷請求。特點(diǎn)：在中斷方式下，外部設(shè)備是主動的，CPU是被動的。適用場合：中斷方式用于CPU的任務(wù)比較忙，傳送速度不太高的系統(tǒng)中，尤其適合實(shí)時控制中緊急事件的處理。優(yōu)點(diǎn)：無需CPU反復(fù)測試外部設(shè)備的狀態(tài)，提高了CPU的工作效率。8086系統(tǒng)包括硬件中斷和軟件中斷，這里所指的是硬件中斷。第三章

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CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式

教師：李軍Email：dpi_Lijun@163.com4.2中斷方式中斷的原理設(shè)備通過-INT申請中斷，CPU通過-INTA應(yīng)答。應(yīng)答時用兩個負(fù)脈沖，設(shè)備送中斷類型碼。中斷傳送方式的基本原理圖第三章

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CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式

教師：李軍Email：dpi_Lijun@163.com4.2中斷方式可屏蔽中斷的響應(yīng)和執(zhí)行第三章

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CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式

教師：李軍Email：dpi_Lijun@163.com4.2中斷方式中斷優(yōu)先級問題的提出：由于一個計算機(jī)系統(tǒng)中通常有多個設(shè)備用中斷方式和CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，為了保證它們有序工作，要對它們賦予相應(yīng)的優(yōu)先級。其作用在于：當(dāng)多個中斷請求到達(dá)時，CPU要首先響應(yīng)優(yōu)先級相對高的請求。當(dāng)CPU正在進(jìn)行中斷服務(wù)時，優(yōu)先級相對高的中斷請求能中斷優(yōu)先權(quán)相對低的中斷服務(wù)。中斷優(yōu)先級的解決方法軟件查詢菊花鏈法專用硬件第三章

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CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式

教師：李軍Email：dpi_Lijun@163.com4.2.1軟件查詢方式第三章

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CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式

要點(diǎn)借助于簡單的硬件電路。無需中斷類型碼，只有一個服務(wù)程序入口地址。采用軟件查詢方式，在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行中斷優(yōu)先權(quán)的處理。軟件查詢接口

軟件查詢流程

教師：李軍Email：dpi_Lijun@163.com4.2.2簡單硬件方式——菊花鏈法第三章

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CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式

要點(diǎn)在每個外設(shè)對應(yīng)的接口上連接一個邏輯電路，構(gòu)成一個鏈，稱為菊花鏈。菊花鏈從硬件上確定了各個外設(shè)中斷優(yōu)先級，各個外設(shè)接口不會競爭中斷回答信號-INTA。獲得-INTA的設(shè)備接口發(fā)中斷類型碼。（a）菊花鏈(b)菊花鏈邏輯電路教師：李軍Email：dpi_Lijun@163.com4.2.3專用硬件方式第三章

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CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式

要點(diǎn)是當(dāng)前在微型機(jī)系統(tǒng)中解決中斷優(yōu)先級管理的最常用的辦法。采用可編程的中斷控制器，它是一個用于中斷優(yōu)先級管理的專用芯片。來自外設(shè)的輸入/輸出接口的中斷請求信號并行地送到中斷優(yōu)先級管理電路，由此管理電路為各中斷請求信號分配優(yōu)先級。由中斷控制器向CPU發(fā)中斷請求并為CPU提供中斷類型碼。可編程的中斷控制器的大部分功能都可以由程序控制，它們的優(yōu)先級排列方式也可以通過指令來設(shè)置。在8086系統(tǒng)中，可編程中斷控制器使用的是Intel公司的8259A。教師：李軍Email：dpi_Lijun@163.com4.2.3專用硬件方式典型的可編程中斷控制器

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CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式

教師：李軍Email：dpi_Lijun@163.com4.3DMA方式要點(diǎn)提出：雖然中斷傳送方式可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)CPU與外設(shè)并行工作，但是在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時，還是要經(jīng)過CPU中轉(zhuǎn)，在進(jìn)行大批量數(shù)據(jù)傳送時，會造成中斷次數(shù)過于頻繁，使得CPU的使用效率大大降低。優(yōu)點(diǎn)：是一種不需要CPU干預(yù)也不需要軟件介入的高速數(shù)據(jù)傳送方式。CPU只啟動而不干預(yù)這一傳送過程，同時只由硬件完成而不需軟件介入，所以其數(shù)據(jù)傳送速率可以很高。DMA控制器的工作特點(diǎn)是一個接口電路。能夠控制系統(tǒng)總線。操縱外設(shè)和存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸。第三章

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CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式

教師：李軍Email：dpi_Lijun@163.com4.3.1DMA控制器的傳送原理及功能原理：使用DMA控制器(DMAC)，無需CPU介入，由DMA控制器掌握總線的控制權(quán)，在它的控制下，實(shí)現(xiàn)I/O與存儲器之間高速、批量數(shù)據(jù)傳遞。DMA控制器申請總線控制權(quán)的過程如下：外部設(shè)備向DMAC發(fā)出DMA請求信號(DREQ)。DMAC向CPU發(fā)出總線請求信號HOLD，請求CPU讓出總線。通常CPU完成當(dāng)前的總線周期之后，使數(shù)據(jù)總線、地址總線處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，并發(fā)出響應(yīng)信號HLDA讓出總線。DMAC收到HLDA，接管總線控制權(quán)，通知外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)輸(DACK)。在整個DMA操作期間，HOLD和HLDA信號一直保持有效。當(dāng)DMAC完成操作后，使HOLD信號變?yōu)榈碗娖?，放棄對總線的控制，8086檢測到HOLD信號變?yōu)榈碗娖胶螅矊LDA信號變?yōu)榈碗娖?，于是，CPU又控制了系統(tǒng)總線。第三章

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CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式

教師：李軍Email：dpi_Lijun@163.com4.3.1DMA控制器的傳送原理及功能功能向CPU發(fā)總線請求信號，多設(shè)備時確定優(yōu)先級。對總線進(jìn)行控制，發(fā)地址、讀寫等控制信號。修改所用的存儲器或接口的地址指針。存放數(shù)據(jù)長度。交還總線控制權(quán)。第三章

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接口部件的I/O端口

CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式

I/O設(shè)備與存儲器傳送示意圖

教師：李軍Email：dpi_Lijun@163.com4.3.2DMA輸入輸出數(shù)據(jù)第三章

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接口部件的I/O端口

CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式

從內(nèi)存向接口輸出單個數(shù)據(jù)的原理圖教師：李軍Email：dpi_Lijun@163.com4.3.2DMA輸入輸出數(shù)據(jù)從接口往內(nèi)存?zhèn)鬏斠粋€數(shù)據(jù)塊的過程接口往DMA控制器發(fā)一個DMA請求。DMA控制器向CPU發(fā)一個DMA請求。CPU允許，得到總線控制權(quán)。地址寄存器的內(nèi)容送地址總線。向接口發(fā)讀命令，接口將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線。向內(nèi)存發(fā)寫命令，數(shù)據(jù)送到所指單元。地址寄存器的值加1。字節(jié)計數(shù)器的值減1。放棄總線控制權(quán)，交還CPU(也可不放棄)。如字節(jié)計數(shù)器的值不為0，則回到開始重復(fù)執(zhí)行。否則結(jié)束。第三章

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4CPU和輸入輸出設(shè)備之間的信號

接口部件的I/O端口

CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式

教師：李軍Email：dpi_Lijun@163.com4.3.3DMA控制器的內(nèi)部最小配置第三章

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4CPU和輸入輸出設(shè)備之間的信號

接口部件的I/O端口

CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式

教師：李軍Email：dpi_Lijun@163.com4.3.4DMA傳輸?shù)囊髮涌诳刂萍拇嫫饔?位指出數(shù)據(jù)傳輸方向?？刂萍拇嫫饔?位用來啟動I/O操作。狀態(tài)寄存器有1位指出設(shè)備當(dāng)前是否處于忙狀態(tài)。對DMA控制寄存器有1位作為DMA允許位。有1位用來確定DMA方向。狀態(tài)寄存器有1位表示數(shù)據(jù)塊傳輸是否結(jié)束。有1位決定進(jìn)行一次傳輸后放棄還是維持對總線的控制權(quán)。對DMA控制器和接口部件預(yù)置的信息往DMA控制器的字節(jié)計數(shù)器設(shè)置初值。往DMA控制器的地址寄存器中設(shè)置地址初值。對DMA控制器設(shè)置控制字并啟動DMA操作。對接口部件設(shè)置控制字并啟動I/O操作。第三章

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4CPU和輸入輸出設(shè)備之間的信號

接口部件的I/O端口

CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式

教師：李軍Email：dpi_Lijun@163.com4.4輸入輸出過程中提出的幾個問題系統(tǒng)如何知道接口已準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)等待CPU提取或者準(zhǔn)備接收CPU的數(shù)據(jù)?在查詢方式下，是通過程序來檢測接口中狀態(tài)寄存器中的“準(zhǔn)備好”位，以確定當(dāng)前是否可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。在中斷方式下，?dāng)接口中已經(jīng)有數(shù)據(jù)要往CPU輸入或者準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)時，接口會向CPU發(fā)一個外部中斷請求。在DMA方式下，由CPU預(yù)先啟動外設(shè)傳輸數(shù)據(jù)的要求，然后外設(shè)的接口會向DMA控制器發(fā)DMA請求信號，DMA控制器