1、基本輸入輸出及DMA16.1 輸入/輸出的基本概念1.輸入/輸出設備2.外設接口的功能 格式轉換功能提供聯(lián)絡信號功能協(xié)調(diào)定時差異功能電平信號轉換功能地址譯碼功能時序控制功能可編程功能26.1 輸入/輸出的基本概念3. 外設接口的一般結構CPU接口電路 I/O 設備34數(shù)據(jù)線控制線狀態(tài)線DBCBAB數(shù)據(jù)輸入寄存器（or 三態(tài)門）數(shù)據(jù)輸出寄存器（鎖存器）狀態(tài)寄存器（or 三態(tài)門）命令寄存器譯碼電路控制邏輯接外設接主機輸入/輸出接口5（1）統(tǒng)一編址方式 4. 外設接口的編址方式（2）獨立編址方式 0地址空間(共1MB)內(nèi)存地址(960KB)I/O地址(64KB)FFFFFHEFFFFHF0000H0

2、0000H內(nèi)存地址空間內(nèi)存空間(1MB)FFFFFHI/O空間(64KB)FFFFHI/O地址空間0000H6 程序控制的輸入輸出 中斷傳送方式 DMA工作方式6.2 CPU與外設數(shù)據(jù)傳送的方式76.2.1 程序控制方式1.無條件傳送方式 輸出鎖存器輸入鎖存器往輸出設備來自輸入設備D7D0端口譯碼器地址總線M/IOWRRD82.查詢傳送方式 查詢方式輸入的接口電路數(shù)據(jù)RD輸入設備鎖存器數(shù)據(jù)+5V三態(tài)緩沖器RD Q數(shù)據(jù)緩沖器地址譯碼地址總線RDD7D0M/IO9輸出設備數(shù)據(jù)鎖存器RQ D狀態(tài)寄存器端口譯碼數(shù)據(jù)總線選通信號數(shù)據(jù)ACK+5VBUSYRDM/IOWR地址總線查詢方式輸出的接口電路10(

3、1) 中斷傳送方式的原理： 中斷方式：CPU和外設可并行工作，當外設需要CPU為它服務時，向CPU發(fā)出申請，CPU接到申請后，暫停自己的工作去為外設服務，服務結束后再回去繼續(xù)原來的工作。(2) 中斷過程：主程序中斷服務程序中斷申請斷點6.2.2 中斷傳送方式116.2.3 DMA工作方式CPUDMACMI/O外設1.DMA方式的提出 DMA方式:CPU交出總線控制權,在DMA控制 器控制下內(nèi)存和外設直接進行信 息交換。122. DMA控制器的功能向CPU發(fā)總線請求實行對總線的控制向地址總線發(fā)送地址信號，并自動修改地址發(fā)送讀/寫控制信號控制傳送字節(jié)個數(shù)向CPU發(fā)送結束信號，交回總線控制權13(1

4、)周期挪用（或周期竊?。〥MA 訪問主存有三種可能 CPU 此時不訪存 CPU 正在訪存 CPU 與 DMA 同時請求訪存此時 CPU 將總線控制權讓給 DMA主存工作時間 CPU控制并使用主存 DMA控制并使用主存t3. DMA操作基本方法14(2)周期擴展特殊的時鐘發(fā)生器/驅動器電路CPU時鐘周期加寬，不操作限制：DAM傳送時一次只傳送一個字節(jié)15(3) CPU停機方式控制簡單CPU 處于不工作狀態(tài)或保持狀態(tài)未充分發(fā)揮 CPU 對主存的利用率主存工作時間CPU不執(zhí)行程序DMA不工作DMA不工作DMA工作 CPU控制并使用主存 DMA控制并使用主存t164.DMA的傳送方式（1）單字節(jié)傳送（

5、2）成組傳送（3）請求傳送方式(查詢傳送）17單字節(jié)傳送185. DMA 的工作過程 DMA 傳送過程:初始化、數(shù)據(jù)傳送、后處理(1) 初始化通過幾條輸入輸出指令預置如下信息 通知 DMA 控制邏輯傳送方向（入/出） 設備地址 DMA 的 DAR 主存地址 DMA 的 AR 傳送字數(shù) DMA 的 WC19初始化：主存起始地址設備地址 傳送數(shù)據(jù)個數(shù)啟動設備DMADMADMA數(shù)據(jù)傳送：繼續(xù)執(zhí)行主程序同時完成一批數(shù)據(jù)傳送后處理：中斷服務程序做 DMA 結束處理繼續(xù)執(zhí)行主程序CPU (2)DMA 傳送過程示意允許傳送？主存地址送總線數(shù)據(jù)送I/O設備（或主存 ）主存地址 加 1傳送個數(shù) 減 1 數(shù)據(jù)塊傳

6、送結束？向CPU申請 程序中斷DMA請求否否是是數(shù)據(jù)傳送20(3) 后處理校驗送入主存的數(shù)是否正確是否繼續(xù)用 DMA測試傳送過程是否正確，錯則轉診斷程序由中斷服務程序完成21 1.DMA 控制器芯片Intel 8237的功能 (1)含有4 個相互獨立的通道，每個通道有獨立的地址寄存器和字節(jié)數(shù)寄存器，而控制寄存器、狀態(tài)寄存器為四個通道所共用。 (2)每個通道的DMA 請求可以分別被允許/禁止 (3)每個通道的DMA 請求有不同的優(yōu)先權，可以通過程序設置為固定的或者是旋轉的方式。 6.3 DMA控制器Intel 8237 22(4)通道中地址寄存器的長度為16 位，因而一 次DMA 傳送的最大數(shù)據(jù)

7、塊的長度為64K 字節(jié)。(5)8237 有4 種工作方式，分別為：單字節(jié)傳送、數(shù)據(jù)塊傳送、請求傳送、級聯(lián)方式。(6)允許用EOP 輸入信號來結束DMA 傳送或重新初始化。(7)8237 可以級聯(lián)以增加通道數(shù) 23DMA控制器工作狀態(tài) 1.主動態(tài)在主動態(tài)時，DMAC取代CPU，獲得對系統(tǒng)總線的控制權，成為系統(tǒng)總線的主控者。它通過總線向存儲器或外設發(fā)出地址和讀/寫信號，以控制在兩個存儲實體間的數(shù)據(jù)傳送。DMA寫操作時它發(fā)出的IOR和MEMW信號，數(shù)據(jù)由外設傳到存儲器；DMA讀操作時，發(fā)出MEMR和IOW信號，數(shù)據(jù)從存儲器傳送到外設 242.被動態(tài)在被動態(tài)時，DMAC接受CPU對它的控制。一般當DM

8、AC上電或復位時，DMAC自動處于被動狀態(tài)。在進行DMA傳遞之前，由CPU對DMAC編程，以確定通道的選擇、DMA操作類型及方式、內(nèi)存地址、地址遞增還是遞減以及需要傳送的字節(jié)數(shù)等參數(shù)。在DMA傳送完畢后，需讀取DMAC的狀態(tài)。252.內(nèi)部結構26主要包含以下幾個部分： (1)四個獨立的DMA通道 每個通道都有一個16 位的基地址寄存器，一個16 位的基字節(jié)數(shù)計數(shù)器， 一個16位的當前地址寄存器和一個16 位的當前字節(jié)數(shù)計數(shù)器及一個8 位的方式寄存器，方式寄存器接收并保存來自于CPU 的方式控制字，使本通道能夠工作于不同的方式下27 (2)定時及控制邏輯電路 對在DMA請求服務之前，CPU編程對

9、給定的命令字和方式控制字進行譯碼，以確定DMA的工作方式，并控制產(chǎn)生所需要的定時信號；(3)優(yōu)先級編碼邏輯 對通道進行優(yōu)先級編碼，確定在同時接收到不同通道的DMA 請求時，能夠確定相應的先后次序。通道的優(yōu)先級可以通過編程確定為是固定的或是旋轉的 28 (4)共用寄存器 整個芯片還有一些共用的的寄存器：包括1個16位的地址暫存寄存器，1個16 位的字節(jié)數(shù)暫存寄存器，1個8 位的狀態(tài)寄存器，1個8位的命令寄存器，1個8 位的暫存寄存器，1個4 位的屏蔽寄存器和1個4 位的請求寄存器等，我們將對這些寄存器的功能與作用，作較為詳細的介紹。8237 內(nèi)部寄存器的類型和數(shù)量如表6-1 所示，其中，凡數(shù)量為

10、4個的寄存器，則每個通道一個，凡數(shù)量只有一個的，則為各通道所公用 29(5)8237 的數(shù)據(jù)引線地址引線都有三態(tài)緩沖器，因而可以接地可以釋放總線 303.8237 的工作周期 它具有兩種主要的工作周期，即空閑周期和有效周期，每一個周期又是由若干時鐘周期所組成的。 (1)空閑周期（lade cycle） 當8237的任一通道都無DMA請求時，則其處于空閑周期或稱為SI 狀態(tài)，空閑周期由一系列的時鐘周期組成，在空閑周期中的每一個時鐘周期，8237只做兩項工作。31 采樣各通道的DREQ請求輸入線，只要無DMA請求，則其始終停留在SI狀態(tài)； 由CPU對8237進行讀/寫操作，即采樣片選信號CS，只要

11、CS信號變?yōu)橛行У牡碗娖?，則表明CPU要對8237 進行讀/寫操作，當8237采樣CS為低電平而DREQ 也為低，即外部設備沒有向8237發(fā)DMA請求的情況下，則進入CPU對8237 的編程操作狀態(tài)，CPU可以向8237的內(nèi)部寄存器進行寫操作，以決定或者改變8237 的工作方式，或者對8237 內(nèi)部的相關寄存器進行讀操作，以了解8237 的工作狀態(tài) 32 CPU對8237 進行讀/寫操作時，由地址信號A3A0來選擇8237 內(nèi)部的不同寄存器（組），由讀/寫控制信號IOR 及IOW來控制讀/寫操作。由于8237 內(nèi)部的地址寄存器和字節(jié)數(shù)計數(shù)器都是16 位的，而數(shù)據(jù)線是8 位的，所以在8237 的

12、內(nèi)部，有一個高/低字節(jié)觸發(fā)器，稱為字節(jié)指針寄存器，由它來控制8 位信息是寫入16 位寄存器的高8 位還是低8 位，該觸發(fā)器的狀態(tài)交替變化，當其狀態(tài)為0 時，進行低字節(jié)的讀/寫操作；而當其狀態(tài)為1 時，則進行高字節(jié)的讀/寫操作 33(2)有效周期（Active Cycle） 當處于空閑狀態(tài)的8237 的某一通道接收到外設提出的DMA 請求DREQ 時，它立即向CPU 輸出HRQ 有效信號，在未收到CPU回答時，8237仍處于編程狀態(tài)，又稱初始狀態(tài)，記為S0狀態(tài)。 經(jīng)過若干個S0 狀態(tài)后，當8237 收到來自于CPU 的HLDA 應答信號后，則進入工作周期，或稱為有效周期，或者說8237由S0狀態(tài)

13、進入了S1狀態(tài) 34 S0 狀態(tài)是DMA 服務的第一個狀態(tài)，在這個狀態(tài)下，8237 已接收了外設的請求，向CPU 發(fā)出了DMA 請求信號HRQ，但尚未收到CPU 對DMA 請求的應答信號HLDA；而S1 狀態(tài)則是實際的DMA 傳送工作狀態(tài)，當8237 接收到CPU 發(fā)來的HLDA 應答信號時，就可以由S0 狀態(tài)轉入Si 狀態(tài)，開始DMA 傳送。在內(nèi)存與外設之間進行DMA傳送時，通常一個Si周期由4 個時鐘周期組成，即S1，S2，S3，S4，但當外設速度較慢時，可以插入SW 等待周期；而在內(nèi)存的不同區(qū)域之間進行DMA 傳送時，由于需要依次完成從存儲器讀和向存儲器寫的操作，所以完成每一次傳送需要8

14、 個時鐘周期，在前四個周期S11，S12，S13，S14 完成從存儲器源區(qū)域的讀操作，后四個時鐘周期S21，S22，S23，S24 完成向存儲器目的區(qū)域的寫操作 35DMAC8237引腳圖4.外部引腳 36 8237 的各個通道在進行DMA 傳送時，有四種工作方式(1)單字節(jié)傳送方式 每次DMA 操作僅傳送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，完成一個字節(jié)的數(shù)據(jù)傳送后，8237 將當前地址寄存器的內(nèi)容加1（或減1），并將當前字節(jié)數(shù)寄存器的內(nèi)容減1，每傳送完這一個字節(jié)，DMAC 就將總線控制權交回CPU 5.8237 的工作方式37 (2)數(shù)據(jù)塊傳送 在這種傳送方式下，DMAC一旦獲得總線控制權，便開始連續(xù)傳送數(shù)據(jù)。

15、每傳送一個字節(jié)，自動修改當前地址及當前字節(jié)數(shù)寄存器的內(nèi)容，直到將所有規(guī)定的字節(jié)全部傳送完，或收到外部EOP信號，DMAC才結束傳送，將總線控制權交給CPU，一次所傳送數(shù)據(jù)塊的最大長度可達64 KB，數(shù)據(jù)塊傳送結束后可自動初始化。38 (3)請求傳送 只要DREQ有效，DMA傳送就一直進行，直到連續(xù)傳送到字節(jié)計數(shù)器為0或外部輸入使EOP變低或DREQ變?yōu)闊o效時為止 39(4)級聯(lián)方式 利用這種方式可以把多個8237 連接在一起，以便擴充系統(tǒng)的DMA通道數(shù)。下一級的HRQ接到上一級的某一通道的DREQ上，而上一級的響應信號DACK可接下一級的HLDA上 4041 在級聯(lián)方式下，當?shù)诙?237的請

16、求得到響應時，第一級8237僅應輸出HRQ 信號而不能輸出地址及控制信號，第二級的8237才是真正的主控制器，而第一級的8237 僅應起到傳遞DREQ請求信號及DACK應答信號的作用 42(1)I/O接口到存儲器的傳送。當進行由I/O接口到存儲器的數(shù)據(jù)傳送時，來自I/O接口的數(shù)據(jù)利用DMAC送出的IOR控制信號，將數(shù)據(jù)輸送到系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線D0D7上，同時，DMAC送出存儲器單元地址及MEMW控制信號，將存在于D0D7上的數(shù)據(jù)寫入所選中的存儲單元中。這樣就完成了由I/O接口到存儲器一個字節(jié)的傳送。同時DMAC修改內(nèi)部地址及字節(jié)數(shù)寄存器的內(nèi)容 6.8237 的DMA傳輸類型 43 (2)存儲器到I/

17、O 接口 DMAC送出存儲器地址及MEMW控制信號，將選中的存儲單元的內(nèi)容讀出放在數(shù)據(jù)總線D0D7上，接著DMAC送出IOW控制信號，將數(shù)據(jù)寫到規(guī)定的（預選中）端口中去，而后MDAC自動修改內(nèi)部的地址及字節(jié)數(shù)寄存器的內(nèi)容 44 (3)存儲器到存儲器 8237 具有存儲器到存儲器的傳送功能，利用8237 編程命令寄存器，可以選擇通道0 和通道1兩個通道實現(xiàn)由存儲器到存儲器的傳送。在進行傳送時，采用數(shù)據(jù)塊傳送方式，由通道0 送出內(nèi)存源區(qū)域的地址和MEWR控制信號，將選中內(nèi)存單元的的數(shù)據(jù)讀到8237的暫存寄存器中，通道0修改地址及字節(jié)數(shù)寄存器的值；接著由通道1輸出內(nèi)存目的區(qū)域的地址及MEMW控制信號

18、，將存放在暫存寄存器中的數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線，寫入到內(nèi)存的目的區(qū)域中去，爾后通道1修改地址和字節(jié)數(shù)寄存器的內(nèi)容，通道1的字節(jié)計數(shù)器減到零或外部輸入EOP 時可結束一次DMA傳輸過程 45(1)優(yōu)先級 8237 有兩種優(yōu)先級方案可供編程選擇： 固定優(yōu)先級 規(guī)定各通道的優(yōu)先級是固定的，即通道0 的優(yōu)先級最高，依次降低，通道3 的優(yōu)先級最低。 循環(huán)優(yōu)先級 規(guī)定剛被服務通道的優(yōu)先級最低，依次循環(huán)。這就可以保證4 個通道的優(yōu)先級是動態(tài)變化的，若3個通道已經(jīng)被服務則剩下的通道一定是優(yōu)先級最高的 7.8237 各個通道的優(yōu)先級及傳輸速率46(2)傳送速率 在一般情況下，8237 進行一次DMA傳送需4個時

19、鐘周期（不包括插入的等待周期SW）。例如，PC 機的時鐘周期約210 ns，則一次DMA傳送需210 ns4+2l0 ns=1 050 ns。多加一個210 ns 是考慮到人為插入一個SW 的緣故。另外，8237 為了提高傳送速率，可以在壓縮定時狀態(tài)下工作。在壓縮定時狀態(tài)下，每個DMA 總線周期僅用2個時鐘周期就可以實現(xiàn)，從而可以大幅度地提高數(shù)據(jù)的傳送速率 478237 有4個獨立的DMA 通道，有許多內(nèi)部寄存器。1.基地址寄存器用以存放16位地址，只可寫入而不能讀出。在編程時，它與當前地址寄存器被同時寫入某一起始地址，可用作內(nèi)存區(qū)域的首地址或末地址。在8237進行DMA 數(shù)據(jù)傳送的工作過程中

20、，其內(nèi)容不發(fā)生變化，只是在自動預置時，其內(nèi)容可被重新寫到當前地址寄存器中去 8.8237 的編程結構 482.基字節(jié)數(shù)寄存器用以存放相應通道需要傳送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，只可寫入而不能讀出。在編程時它與當前字節(jié)數(shù)寄存器被同時寫入要傳送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。在8237 進行DMA 數(shù)據(jù)傳送的工作過程中，其內(nèi)容保持不變，只是在自動預置時，其內(nèi)容可以被重新寫到當前字節(jié)數(shù)寄存器中去 49 3.當前地址寄存器 存放DMA 傳送期間的地址值。每次傳送后自動加l 或減l。CPU 可以對其進行讀寫操作。在選擇自動預置時，每當字節(jié)計數(shù)值減為0 或外部EOP 有效后，就會自動將基地址寄存器的內(nèi)容寫入當前地址寄存器中，恢復其初始值

21、 504.當前字節(jié)數(shù)寄存器 存放當前的字節(jié)數(shù)。每傳送一個字節(jié)，該寄存器的內(nèi)容減1。當計數(shù)值減為0 或接收到來自外部的EOP 信號時，會自動將基字節(jié)數(shù)寄存器的內(nèi)容寫入該寄存器，恢復其初始計數(shù)值，即為自動預置 51 5.地址暫存寄存器和字節(jié)數(shù)暫存寄存器 這兩個16 位的寄存器和CPU 不直接發(fā)生關系，我們也不必要對其進行讀/寫操作，因而對如何使用8237沒有影響。 6.方式寄存器 每個通道有一個8 位的方式寄存器，用來存放方式字，但是它們占用同一個端口地址，依靠方式控制字本身的特征位來區(qū)分寫入不同的通道，用來規(guī)定通道的工作方式 5253 自動預置就是當某一通道按要求將數(shù)據(jù)傳送完后，又能自動預置初始

22、地址和傳送的字節(jié)數(shù)，而后重復進行前面已進行過的過程。校驗傳送就是實際并不進行傳送，只產(chǎn)生地址并響應EOP 信號，不產(chǎn)生讀寫控制信號，用以校驗8237 的功能是否正常。 547.命令寄存器8237 的命令寄存器存放編程的命令字 55 其中：D0位用以規(guī)定是否允許采用存儲器到存儲器的傳送方式。若允許這樣做，則利用通道0 和通道1 來實現(xiàn)。 D1位用以規(guī)定通道0 的地址是否保持不變。如前所述，在存儲器到存儲器傳送中，源地址由通道0 提供，讀出數(shù)據(jù)到暫存寄存器，而后，由通道l送出目的地址，將數(shù)據(jù)寫入目的區(qū)域；若命令字中D10，則在整個數(shù)據(jù)塊傳送中（塊長由通道1 決定）保持內(nèi)存源區(qū)域地址不變，因此，就會

23、把同一個數(shù)據(jù)寫入到整個目的存儲器區(qū)域中 56 D2位是允許或禁止8237 芯片工作的控制位。 D3位用于選擇總線周期中寫信號的定時。例如，PC機中動態(tài)存儲器寫是由寫信號的上升沿啟動的。若在DMA周期中寫信號來得太早，可能造成錯誤，所以PC機選擇D30。命令字的其他位容易理解 57 D5位用于選擇是否擴展寫信號。在D3=0（正常時序）時，如果外設速度較慢，有些外設是用8237A送出的IOW 和MEMW信號的下降沿來產(chǎn)生的READY信號的。為提高傳送速度，能夠使READY信號早些到來，須將IOW 和MEMW信號加寬，以使它們提前到來。因此，可以通過令D5=1 使IOW和MEMW信號擴展2 個時鐘周

24、期提前到來 588.請求寄存器 用于在軟件控制下產(chǎn)生一個DMA請求，就如同外部DREQ請求一樣 59 在軟件編程時，這些請求是不可屏蔽的，利用命令字即可實現(xiàn)使8237 按照命令字的D0D1所指的通道，完成D2所規(guī)定的操作，這種軟件請求只用于通道工作在數(shù)據(jù)塊傳送方式之下 609.屏蔽寄存器 8237 的屏蔽字有兩種形式： 單個通道屏蔽字。這種屏蔽字的格式如圖6-16 所示。利用這個屏蔽字，每次只能選擇一個通道。其中D0D1的編碼指示所選的通道，D2l表示禁止該通道接收DREQ請求，當D20 時允許DREQ請求 6162四通道屏蔽字?？梢岳眠@個屏蔽字同時對8237 的4 個通道的屏蔽字進行操作，

25、故又稱為主屏蔽字。該屏蔽字的格式如圖6-17 所示。它與單通道屏蔽字占用不同的I/O接口地址， 6310.狀態(tài)寄存器 狀態(tài)寄存器存放各通道的狀態(tài)，CPU 讀出其內(nèi)容后，可得知8237 的工作狀況。主要有：哪個通道計數(shù)已達到計數(shù)終點對應位為1；哪個通道的DMA 請求尚未處理對應位為1 6411.暫存寄存器 用于存儲器到存儲器傳送過程中對數(shù)據(jù)的暫時存放。12.字節(jié)指針觸發(fā)器 這是一個特殊的觸發(fā)器，用于對前述各16 位寄存器的尋址。由于前述各16 位寄存器的讀或寫必須分兩次進行，先低字節(jié)后高字節(jié)。為此，要利用字節(jié)指針觸發(fā)器，當此觸發(fā)器狀態(tài)為0時，進行低字節(jié)操作。一旦低字節(jié)讀/寫操作完成后，字節(jié)指針觸發(fā)器會自動置l，再操作一次又會清零。利用這種機制，就可以進行雙字節(jié)讀寫操作，這樣16位寄存器可以僅占用一個外設端口地址，高、低字節(jié)共用 658. 8237的編程及應用 (1)8237的初始化 初始化過程包括：輸出主清除命令；寫入基地址寄存器與現(xiàn)行地址寄存器；寫入基字節(jié)與現(xiàn)行字節(jié)數(shù)寄存器；寫入模式寄存器；寫入命令寄存器；寫入屏蔽寄存器；寫入請求寄存器。66(2)編程舉例【例1】PC機中BIOS對8237初始化過程。 OU