微機(jī)原理 第8章

第7章輸入和輸出1教學(xué)要求了解為什么要用接口電路輸入輸出尋址方式掌握CPU與I/O設(shè)備之間的接口信息CPU與外設(shè)數(shù)據(jù)傳送方式的類(lèi)型與原理本章內(nèi)容7.1概述7.2CPU與外設(shè)數(shù)據(jù)傳送的方式7.3DMA控制器7.1概述外設(shè)為什么一定要通過(guò)接口電路和主機(jī)總線(xiàn)相連？接口：連接計(jì)算機(jī)和I/O設(shè)備的部件。接口一般做成插卡插在系統(tǒng)總線(xiàn)擴(kuò)展插槽中。1、高速CPU與低速外設(shè)間的速度矛盾；2、主機(jī)數(shù)字信號(hào)與外設(shè)模擬信號(hào)的矛盾；3、CPU與外設(shè)間信號(hào)形式的矛盾。有些外設(shè)的信息是并行的，有些外設(shè)的信息是串行的，而CPU只能接收和發(fā)送并行信息。外設(shè)通過(guò)接口電路和主機(jī)總線(xiàn)相連的原因7.1.1輸入輸出的尋址方式1、存儲(chǔ)器對(duì)應(yīng)輸入輸出方式外設(shè)接口中可被主機(jī)直接訪問(wèn)的寄存器。一個(gè)端口的寄存器是8位的。每一個(gè)外設(shè)端口占有存儲(chǔ)器的一個(gè)地址。內(nèi)存和外設(shè)端口進(jìn)行統(tǒng)一編址，只有一個(gè)統(tǒng)一的地址空間。端口的編號(hào)。端口：端口地址：EFFFFF000065F3020024E0內(nèi)存與外設(shè)內(nèi)存外設(shè)kou1026D0000000001F0001F0002FFFFF優(yōu)點(diǎn)：CPU對(duì)外設(shè)的操作可使用全部的存儲(chǔ)器操作指令，尋址方式多，使用方便靈活。缺點(diǎn)：由于外設(shè)占用了存儲(chǔ)單元的地址，使內(nèi)存的容量減小，同時(shí)，程序的可讀性下降。如：將bX內(nèi)容送到kou1端口movkou1,bx存儲(chǔ)器對(duì)應(yīng)輸入輸出方式(續(xù))2、端口尋址的輸入輸出方式建立兩個(gè)地址空間，一個(gè)為內(nèi)存地址空間，一個(gè)為外設(shè)地址空間。為確保控制總線(xiàn)發(fā)出正確的控制信號(hào)，系統(tǒng)提供了專(zhuān)用于和I/O端口通信的輸入/輸出（IN/OUT）指令。65F30200外設(shè)000000FFFFFF01001122334411323201內(nèi)存00000FFFFF7.1.2CPU與I/O設(shè)備之間的接口信息1、數(shù)據(jù)信息以二進(jìn)制形式表示的數(shù)或以ASCII碼表示的數(shù)或字符。數(shù)值和時(shí)間上都能連續(xù)變化的信號(hào)。只有兩個(gè)狀態(tài)（1和0）的量，用一位二進(jìn)制數(shù)即可表示。（1）數(shù)字量（2）模擬量（3）開(kāi)關(guān)量如：輸入設(shè)備－－－－“準(zhǔn)備好”(READY)信號(hào)輸出設(shè)備－－－－“忙”（BUSY）信號(hào)2、狀態(tài)信息反映當(dāng)前外設(shè)的所處工作狀態(tài)，是外設(shè)通過(guò)接口往CPU傳送的。CPU與I/O設(shè)備之間的接口信息（續(xù)）3、控制信息控制信息是CPU通過(guò)接口傳送給外設(shè)的，CPU通過(guò)發(fā)送控制信息控制外設(shè)的工作。如：外設(shè)的啟動(dòng)信號(hào)、停止信號(hào)就是常見(jiàn)的控制信息

CPU與I/O設(shè)備之間的接口信息（續(xù)）數(shù)據(jù)的含義是廣義的，它可以是真正的數(shù)據(jù)，也可以是指令代碼或狀態(tài)信息，有時(shí)甚至是一個(gè)控制信息。狀態(tài)信息作為一種輸入數(shù)據(jù)，控制信息作為一種輸出數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)傳送。關(guān)于接口信息的兩點(diǎn)說(shuō)明接口部件的I/O端口：數(shù)據(jù)端口控制端口狀態(tài)端口用于對(duì)來(lái)自CPU和內(nèi)存的數(shù)據(jù)或者送往CPU和內(nèi)存的數(shù)據(jù)起緩沖作用的，這些端口叫數(shù)據(jù)端口。用來(lái)存放外部設(shè)備或者接口部件本身的狀態(tài)，稱(chēng)為狀態(tài)端口，是只讀端口。用來(lái)存放CPU發(fā)出的命令，以便控制接口和設(shè)備的動(dòng)作，這類(lèi)端口叫控制端口，是只寫(xiě)端口。接口部件的I/O端口（續(xù)）CPU對(duì)外設(shè)的訪問(wèn)實(shí)際上是對(duì)I/O接口電路中相應(yīng)端口的訪問(wèn)。輸入的真實(shí)含義:從指定的端口傳送數(shù)據(jù)到CPU的累加器中（AL或AX）。輸出的真實(shí)含義:把CPU累加器（AL或AX）的內(nèi)容傳送到指定的端口。注：⑴不管輸入還是輸出，所用到的地址總是對(duì)端口而言的，不是對(duì)接口部件而言的。關(guān)于I/O端口的幾點(diǎn)說(shuō)明

CPU尋址的是端口，而不是籠統(tǒng)的外設(shè)?。?）CPU對(duì)外設(shè)的輸入/輸出操作歸結(jié)為對(duì)接口芯片各端口的讀/寫(xiě)操作。CPU與外設(shè)之間的接口7.1.3CPU的輸入輸出時(shí)序7.1.4CPU與接口電路之間數(shù)據(jù)傳送的形式并行通信------數(shù)據(jù)的各位同時(shí)傳送。數(shù)據(jù)有多少位就需要有多少條傳輸線(xiàn)CPU與外設(shè)的信息交換稱(chēng)為通信。串行通信------數(shù)據(jù)一位一位順序傳送。只需要一條傳輸線(xiàn)7.1.5IBM-PC與外設(shè)的接口以及現(xiàn)代PC機(jī)的外設(shè)的接口7.2CPU與外設(shè)數(shù)據(jù)傳送的方式無(wú)條件傳送方式查詢(xún)傳送方式中斷傳送方式直接數(shù)據(jù)通道傳送7.2.0無(wú)條件傳送方式外設(shè)已準(zhǔn)備好，不查詢(xún)外設(shè)的狀態(tài)。輸入時(shí)，總認(rèn)為外設(shè)已經(jīng)將可用的數(shù)據(jù)放到了得了端口中。輸出時(shí)，總認(rèn)為外設(shè)已經(jīng)做好了接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。程序簡(jiǎn)單，硬件省，但要求外設(shè)較嚴(yán)，較少使用，只用在對(duì)一些簡(jiǎn)單外設(shè)的操作，如開(kāi)關(guān)，七段顯示管等。通過(guò)程序查詢(xún)相應(yīng)設(shè)備的狀態(tài)，若狀態(tài)不符合，則CPU不能進(jìn)行輸入/輸出操作，需要等待；只有當(dāng)狀態(tài)信號(hào)符合要求時(shí)，CPU才能進(jìn)行相應(yīng)的輸入/輸出操作。7.2.1查詢(xún)傳送方式CPU通過(guò)執(zhí)行程序不斷地讀取并測(cè)試外設(shè)的狀態(tài)，如果外設(shè)處于準(zhǔn)備好狀態(tài)，則CPU執(zhí)行輸入指令，否則就等待。1、查詢(xún)式輸入查詢(xún)式輸入程序流程圖輸入狀態(tài)信息READY=1？Y（準(zhǔn)備好）N輸入數(shù)據(jù)STATUS_PORTDATA_PORTPOLL:INAL，STATUS_PORT；從狀態(tài)端口輸入狀態(tài)信息

TESTAL，80H

；檢查READY是否為1

JE POLL；未READY，循環(huán)

IN AL，DATA_PORT；READY，從數(shù)據(jù)端口輸入數(shù)據(jù)2、查詢(xún)式輸出CPU通過(guò)執(zhí)行程序不斷地讀取并測(cè)試外設(shè)的狀態(tài)，如果外設(shè)處于空閑狀態(tài)，則CPU執(zhí)行輸出指令，否則就等待。輸入狀態(tài)信息BUSY=1？輸出數(shù)據(jù)NY（忙）查詢(xún)式輸出程序流程圖DATA_PORTSTATUS_PORTPOLL:INAL，STATUS_PORT；從狀態(tài)端口輸入狀態(tài)信息

TEST AL，80H

；檢查BUSY位

JNE POLL；BUSY則循環(huán)等待

MOV AL，STORE；否則，從緩沖區(qū)取數(shù)據(jù)

OUT DATA_PORT，AL；從數(shù)據(jù)端口輸出

查詢(xún)傳送方式的優(yōu)、缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：適應(yīng)性較好，不要求CPU與外設(shè)是同步的，較簡(jiǎn)單，使用方便。缺點(diǎn)：CPU與外設(shè)不能并行工作，CPU的效率低，外設(shè)得不到及時(shí)響應(yīng)。7.2.2中斷傳送方式為什么要采用中斷傳送方式?啟動(dòng)外設(shè)外設(shè)的數(shù)據(jù)已存入輸入端口的數(shù)據(jù)寄存器；或端口的數(shù)據(jù)輸出寄存器已空外設(shè)通過(guò)接口電路向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)CPU接受到中斷請(qǐng)求信號(hào)，暫?，F(xiàn)行程序CPU執(zhí)行中斷服務(wù)程序，執(zhí)行輸入輸出操作中斷服務(wù)程序結(jié)束，返回原來(lái)程序

中斷傳送方式的原理中斷傳送方式的優(yōu)、缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)的工作效率高，CPU、I/O設(shè)備可以并行工作，外設(shè)可以主動(dòng)向CPU請(qǐng)求，能夠得到CPU的及時(shí)響應(yīng)。缺點(diǎn)：每次傳送數(shù)據(jù)，CPU都要做許多額外的工作，傳送速度仍然不是很快。為什么要用DMA方式傳送數(shù)據(jù)查詢(xún)方式傳送數(shù)據(jù)：7.2.3直接數(shù)據(jù)通道傳送（DMA：DirectMemoryAccess）查詢(xún)時(shí)占用CPU時(shí)間中斷方式傳數(shù)據(jù)：比查詢(xún)方式傳送數(shù)據(jù)效率要高，但執(zhí)行中斷服務(wù)程序，CPU要保護(hù)斷點(diǎn)、保護(hù)一些寄存器等操作，使CPU花費(fèi)時(shí)間。DMA方式利用專(zhuān)用的接口電路直接在內(nèi)存與外設(shè)端口之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)塊傳送，而不經(jīng)過(guò)CPU中轉(zhuǎn)的一種數(shù)據(jù)傳送方式。

DMA控制器無(wú)需CPU參與，無(wú)需軟件介入，傳送速度快，在整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中都是由DMA控制器來(lái)控制管理。特