1、計(jì)算機(jī)和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸本章學(xué)習(xí)要點(diǎn) 輸入輸出接口技術(shù)的概念和功能 IO端口的編址方式 輸入輸出控制方式 可編程控制器8237A的應(yīng)用61 本章知識(shí)重點(diǎn)611 輸入輸出接口技術(shù)的基本概念1輸入輸出接口的概念輸入輸出接口簡(jiǎn)稱IO接口，它是指CPU和存儲(chǔ)器、外部設(shè)備或者兩種外部設(shè)備之間，或者兩種機(jī)器之間通過(guò)系統(tǒng)總線進(jìn)行連接的邏輯部件(或稱電路)，它是CPU與外界進(jìn)行信息交換的中轉(zhuǎn)站。2輸入輸出接口的功能(1)數(shù)據(jù)緩沖功能：CPU和外設(shè)速度不匹配的問(wèn)題可以通過(guò)在接口電路中設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖來(lái)解決，數(shù)據(jù)緩沖經(jīng)常使用鎖存器和緩沖器，并配以適當(dāng)?shù)穆?lián)絡(luò)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)這種功能。(2)信號(hào)轉(zhuǎn)換功能：外部設(shè)備大都是復(fù)雜的

2、機(jī)電設(shè)備，其信號(hào)電平大多是TTL電平或CMOS電平，需要用接口電路來(lái)完成信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換。(3)對(duì)外設(shè)的控制和檢測(cè)功能：接口電路接受CPU送來(lái)的命令或控制信號(hào)、定時(shí)信號(hào)，實(shí)施對(duì)外設(shè)的控制與管理，外設(shè)的工作狀態(tài)和應(yīng)答信號(hào)也通過(guò)接口及時(shí)返回給CPU，以握手聯(lián)絡(luò)信號(hào)來(lái)保證主機(jī)和外部輸入輸出操作的同步。(4)設(shè)備選擇功能：系統(tǒng)中一般帶有多種外設(shè)，同一種外設(shè)也可能由多臺(tái)，而CPU在同一時(shí)間里只能與一臺(tái)外設(shè)交換信息，這就要借助于接口的地址譯碼以選定外設(shè)。只有被選定的外部設(shè)備才能與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。(5)中斷或DMA管理功能：為了滿足實(shí)時(shí)|生和主機(jī)與外設(shè)并行工作的要求需要采用中斷傳送的方式，為了提高傳送的速

3、率有時(shí)又采用DMA傳送方式，這就要求接口有產(chǎn)生中斷請(qǐng)求和DMA請(qǐng)求的能力以及管理中斷和DMA的能力。(6)可編程功能：現(xiàn)在的接口芯片大多數(shù)都是可編程的，這樣在不改變硬件的情況下，只需修改程序就可以改變接口的工作方式，大大增加了接口的靈活性和可擴(kuò)充性，使接口向智能化方向發(fā)展。3CPU與IO接口之間傳遞的信息類型 ，CPU與IO設(shè)備之間要傳送的信息，通常包括數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息。(1)數(shù)據(jù)信息：是CPU與外設(shè)交換的基本信息，有數(shù)字量、模擬量和開(kāi)關(guān)量等。(2)狀態(tài)信息：反映外設(shè)當(dāng)前所處的工作狀態(tài)，以便CPU對(duì)外設(shè)進(jìn)行監(jiān)視。(3)控制信息：是CPU通過(guò)接口發(fā)給外設(shè)的，用來(lái)控制外設(shè)的工作。在微型

4、計(jì)算機(jī)中，狀態(tài)信息、控制信息實(shí)際上也是一種數(shù)據(jù)信息，即狀態(tài)信息為一種輸入數(shù)據(jù)，而控制信息則為一種輸出數(shù)據(jù)，均通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳送。CPU送往外設(shè)的數(shù)據(jù)或者外設(shè)送往CPU的數(shù)據(jù)先進(jìn)入接口的數(shù)據(jù)緩沖器；從外設(shè)送往CPU的狀態(tài)信息放在接口的狀態(tài)寄存器中；而CPU送往外設(shè)的控制信息則送到接口的控制寄存器中。4I0端口的編址方式(1)統(tǒng)一編址這種編址方式是把每一個(gè)端口視為一個(gè)存儲(chǔ)器單元，并賦予相應(yīng)的存儲(chǔ)器地址，CPU訪問(wèn)端口就如同訪問(wèn)存儲(chǔ)器，只是地址不同而已，所有訪問(wèn)內(nèi)存的指令都適用于IO端口。由于端口地址被映像到存儲(chǔ)空間作為存儲(chǔ)空間的一部分，因此這種編址方法又稱為“存儲(chǔ)器映像編址”。主要優(yōu)點(diǎn)：對(duì)I0接口的

5、操作與對(duì)存儲(chǔ)器的操作完全相同，任何存儲(chǔ)器操作指令都可用來(lái)操作IO接口，而不必使用專用的I0指令，這可大大增強(qiáng)系統(tǒng)的UO功能，使訪問(wèn)外設(shè)端口的操作方便、靈活；可以使外設(shè)數(shù)目或IO寄存器數(shù)目幾乎不受限制，從而大大增加系統(tǒng)的吞吐率；可以使微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的讀寫(xiě)控制邏輯較簡(jiǎn)單。主要缺點(diǎn)：占用了存儲(chǔ)器的一部分地址空間，使可用的內(nèi)存空間減少；訪問(wèn)內(nèi)存的指令一般較長(zhǎng)，執(zhí)行速度較慢；為了識(shí)別一個(gè)IO端口，必須對(duì)全部地址線譯碼，這樣不僅增加了地址譯碼電路的復(fù)雜性，而且使執(zhí)行外設(shè)尋址的操作時(shí)間相對(duì)增長(zhǎng)。(2)獨(dú)立編址這種編址方式是將IO端口單獨(dú)編址，不占用存儲(chǔ)空間，即兩者的地址空間是互相獨(dú)立的，不會(huì)影響到存儲(chǔ)器的地

6、址空間。采用這種編址方式時(shí)，CPU訪問(wèn)FO端口必須采用專用的IO指令，所以也叫專用IO指令方式。這種編址方式的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省內(nèi)存空間。由于系統(tǒng)需要的IO端口寄存器一般比存儲(chǔ)器單元要少得多，故IO地址線較少，因此IO端口地址譯碼較簡(jiǎn)單，尋址速度較快。缺點(diǎn)是專用IO指令類型少，遠(yuǎn)不如存儲(chǔ)器訪問(wèn)指令豐富，使程序設(shè)計(jì)靈活性較差，且使用IO指令一般只能在累加器和IO端口交換信息，處理能力不如存儲(chǔ)器映像方式強(qiáng)。 6-1-2 CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式1程序控制方式程序控制方式是指CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送是在程序控制下完成，它又可分成無(wú)條件傳送和條件傳送兩種方式。(1)無(wú)條件傳送無(wú)條件傳送方式也稱為同步傳

7、送方式，主要用于對(duì)簡(jiǎn)單外設(shè)進(jìn)行操作，或者外設(shè)的定時(shí)是固定的或已知的場(chǎng)合。(2)條件傳送方式條件傳送方式也稱為查詢傳送方式。傳送數(shù)據(jù)前，CPU要先執(zhí)行一條輸入指令，從外設(shè)的狀態(tài)口讀取它的當(dāng)前狀態(tài)。如果外設(shè)未準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)或處于忙碌狀態(tài)，則程序要反復(fù)執(zhí)行讀狀態(tài)指令，不斷檢測(cè)外設(shè)狀態(tài)；如果該外設(shè)的輸入數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好，CPU便可從外設(shè)讀入數(shù)據(jù)。 優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，可以編制程序控制數(shù)據(jù)傳送。缺點(diǎn)：無(wú)條件傳送方式的應(yīng)用受到很大限制，條件傳送方式在設(shè)備未準(zhǔn)備就緒時(shí)，必須 反復(fù)查詢，進(jìn)入循環(huán)等待狀態(tài)，導(dǎo)致CPU的工作效率嚴(yán)重降低。2中斷控制方式采用中斷控制方式后，CPU平時(shí)執(zhí)行主程序，只有當(dāng)輸入設(shè)備將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，或者輸

8、出端口的數(shù)據(jù)緩沖器已空時(shí)，才向CPU發(fā)中斷請(qǐng)求。CPU響應(yīng)中斷后，暫停執(zhí)行當(dāng)前的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行管理外設(shè)的中斷服務(wù)程序。在中斷服務(wù)程序中，用輸入或輸出指令在CPU和外設(shè)之間進(jìn)行一次數(shù)據(jù)交換，等輸入或輸出操作完成之后，CPU又回去執(zhí)行原來(lái)的程序。 優(yōu)點(diǎn)：CPU的工作效率可以大大提高。缺點(diǎn)：每進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳送，CPU都要執(zhí)行一次中斷服務(wù)程序。這時(shí)，CPU要保護(hù)和恢復(fù)斷點(diǎn)，通常還要執(zhí)行一系列保護(hù)和恢復(fù)寄存器的指令，即保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，以便完成中斷處理后能正確返回主程序。顯然，這些操作與數(shù)據(jù)傳送沒(méi)有直接關(guān)系，但會(huì)花費(fèi)掉CPU的不少時(shí)間。所以，在這段時(shí)間內(nèi)執(zhí)行部件和總線接口部件就不能并行工作，這也會(huì)造成數(shù)據(jù)傳輸效

9、率的降低。3DMA控制方式DMA控制方式是利用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線來(lái)傳送數(shù)據(jù)。當(dāng)外設(shè)需要利用DMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，接口電路可以向CPU提出請(qǐng)求，要求CPU讓出對(duì)總線的控制權(quán)，用DMA控制器來(lái)取代CPU臨時(shí)接管總線，控制外設(shè)和存儲(chǔ)器之間直接進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)傳送，而不要CPU進(jìn)行干預(yù)。這種控制方式能給出訪問(wèn)內(nèi)存所需要的地址信息，并能自動(dòng)修改地址指針，也能設(shè)定和修改傳送的字節(jié)數(shù)，還能向存儲(chǔ)器和外設(shè)發(fā)出相應(yīng)的讀寫(xiě)控制信號(hào)。在DMA傳送結(jié)束后，它能釋放總線，把對(duì)總線的控制權(quán)又交給CPU。可見(jiàn)，用DMA方式傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，不需要進(jìn)行保護(hù)和恢復(fù)斷點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)之類的額外操作，一旦進(jìn)入DMA操作，就可直

10、接在硬件的控制下快速完成一批數(shù)據(jù)的交換任務(wù)，數(shù)據(jù)傳送的速度基本上取決于外設(shè)和存儲(chǔ)器的存取速度。 6-1-3 8237A DMA控制器18237A的工作狀態(tài)8237A DMA控制器有兩種不同的工作狀態(tài)。(1)在DMA控制器未取得總線控制權(quán)時(shí)必須由CPU對(duì)DMA控制器進(jìn)行編程，這時(shí)CPU處于主控狀態(tài)，而DMA控制器就和一般的VO芯片一樣，是系統(tǒng)總線的從設(shè)備，DMA控制器的這種工作方式稱為從態(tài)方式。(2)當(dāng)DMA控制器取得總線控制權(quán)后，系統(tǒng)就完全在它的控制之下，使VO設(shè)備和存儲(chǔ)器之間或存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)器之間進(jìn)行直接的數(shù)據(jù)傳送，DMA控制器的這種工作方式稱為主態(tài)方式。28237A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)8237A的內(nèi)部

11、結(jié)構(gòu)主要由5個(gè)部分組成：(1)時(shí)序與控制邏輯：從態(tài)時(shí)，該部分電路接受系統(tǒng)送來(lái)的時(shí)鐘、復(fù)位、片選和讀寫(xiě)控制等信號(hào)，完成相應(yīng)的控制操作；主態(tài)時(shí)則向系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)。(2)優(yōu)先級(jí)編碼電路：對(duì)同時(shí)提出DMA請(qǐng)求的多個(gè)通道進(jìn)行排隊(duì)判優(yōu)，決定哪一個(gè)通道的優(yōu)先級(jí)最高。(3)數(shù)據(jù)和地址緩沖器組：是三態(tài)緩沖器，可以接管或釋放總線。(4)命令控制邏輯：接收或發(fā)出各種控制命令。(5)內(nèi)部寄存器：每個(gè)通道都有基地址寄存器、基字計(jì)數(shù)器、當(dāng)前地址寄存器、當(dāng)前字節(jié)計(jì)數(shù)器和工作方式寄存器。還有命令寄存器、屏蔽寄存器、請(qǐng)求寄存器、狀態(tài)寄存器和暫存寄存器共用。上述這些寄存器均是可編程寄存器。另外還有字?jǐn)?shù)暫存器和地址暫存器等

12、不可編程的寄存器。38237A內(nèi)部寄存器功能及格式(1)當(dāng)前地址寄存器：16位，用于存放DMA傳送的存儲(chǔ)器地址值。每傳送一個(gè)數(shù)據(jù)，地址值自動(dòng)增1或減1，以指向下一個(gè)存儲(chǔ)單元。(2)當(dāng)前字節(jié)計(jì)數(shù)寄存器：16位，保存當(dāng)前DMA傳送的字節(jié)數(shù)。每次傳送以后，字節(jié)計(jì)數(shù)器減1。(3)基地址寄存器：16位，用來(lái)存放對(duì)應(yīng)通道當(dāng)前地址寄存器的初值，是在CPU對(duì)DMA控制器進(jìn)行編程時(shí)，與當(dāng)前地址寄存器的值一起被寫(xiě)入的。(4)基字節(jié)計(jì)數(shù)寄存器：16位，用于存放對(duì)應(yīng)通道當(dāng)前字節(jié)計(jì)數(shù)器的初值。(5)命令寄存器：8位，編程時(shí)，CPU對(duì)其寫(xiě)入命令字來(lái)控制8237A的操作。(6)工作方式寄存器：8位，用于指定DMA的操作類型

13、、傳送方式、是否自動(dòng)預(yù)置和傳送一字節(jié)數(shù)據(jù)后地址是按增1還是減1修改。8237A進(jìn)行DMA傳送時(shí)，有4種傳送方式： 單字節(jié)傳送方式：該方式下，每一次DMA操作只傳送個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。傳送后字節(jié)計(jì)數(shù)器減1，地址寄存器加1或減1(由D5位決定)，保持請(qǐng)求信號(hào)HQR無(wú)效，并釋放系統(tǒng)總線。當(dāng)字節(jié)計(jì)數(shù)器由0減為FFFFH時(shí)，產(chǎn)生終止信號(hào)TC。數(shù)據(jù)塊傳送方式：在每次DREQ有效后，若CPU響應(yīng)其請(qǐng)求讓出總線控制權(quán)給8237A，8237A就會(huì)連續(xù)傳送數(shù)據(jù)，直到字節(jié)汁數(shù)器計(jì)數(shù)由0減為FFFFH產(chǎn)生TC信號(hào)或外部送來(lái)有效的/EOP信號(hào)時(shí)，才將總線控制權(quán)交給CPU，結(jié)束DMA服務(wù)。 請(qǐng)求傳送方式：當(dāng)DREQ有效，若CP

14、U讓出總線控制權(quán)，8237A進(jìn)行DMA服務(wù)。每傳送一個(gè)字節(jié)都將測(cè)試DREQ，以確定是否繼續(xù)傳送。若DREQ一直有效，則連續(xù)傳送數(shù)據(jù)，直至字節(jié)計(jì)數(shù)器減為FFFFH或外部送來(lái)有效的/EOP信號(hào)，或DREQ變?yōu)闊o(wú)效時(shí)為止。 級(jí)聯(lián)傳送方式：該方式用于將多個(gè)8237A連在一起，以便擴(kuò)充系統(tǒng)的DMA通道。(7)請(qǐng)求寄存器：請(qǐng)求寄存器就是用于由軟件發(fā)出DREQ信號(hào)請(qǐng)求DMA服務(wù)的設(shè)備。(8)屏蔽寄存器：當(dāng)某通道的屏蔽標(biāo)志位置l時(shí)，禁止該通道的DREQ請(qǐng)求，并禁止該通道DMA操作。分通道屏蔽字和主屏蔽字。(9)狀態(tài)寄存器：用來(lái)存放狀態(tài)信息，可供CPU讀出。(10)暫存寄存器：用來(lái)暫存從源地址單元讀出的數(shù)據(jù)。(11)軟件命令：8237A設(shè)置了3條軟件命令：主清除命令、清除字節(jié)指示器命令和清除屏蔽寄存器命令。主清除命令：該命令能清除命令寄存器、狀態(tài)寄存器、各通道的請(qǐng)求標(biāo)志位、暫存寄存器和字節(jié)指示器，并把個(gè)通道的屏蔽標(biāo)志位置1，使8237A進(jìn)入空閑周期。清除字節(jié)指示器命令：該命令用來(lái)清除字節(jié)指示器。清除屏蔽寄存器命令：該命令清除4個(gè)通道的全部屏蔽位，使各通道均能接受DMA請(qǐng)求。48237A的初始化編程8237A的初始化編程主要有一下個(gè)方面：(1)輸出主清除命令，使8237A處于復(fù)位狀態(tài)，以接收新的命令。(2)寫(xiě)入工作方式寄存器，以確定8237A工作方式和傳送類型。(3)寫(xiě)入命令