微机原理讲义（6）IO

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1、Chapter 6 微型计算机和外设的数据传输6.1为什么要用接口电路两类接口电路：微机正常工作所需的辅助电路（时钟、中断接收等）输入输出接口电路，完成CPU与外设间数据接收与发送。常用外设：键盘、打印机、磁盘机，测控设备都通过输入输出接口与主机相连。为什么需要接口？存储器却不需要？外设能与三总线直接相连吗？ 外设的输入输出操作与存储器的读写操作不同 存储器功能单一、传送方式单一、品种有限(ROM RAM)，速度与CPU匹配 外设的功能多样：输入、输出、测量、控制等等，数字、模拟，串行、并行（CPU是并行），多台设备，速度通常很低可见，接口主要是解决计算机和外设间的信息变换。接口技术：研究CP

2、U和外设间数据传送方式、电路工作原理、使用方法6.2 CPU和输入输出设备之间的信号6.2.1数据信息1. 数字量二进制形式或ASC码表示的数据或字符，通常是8位的。2. 模拟量用于控制的微机系统的输入输出量，各种物理量的电信号等，须经A/D，D/A才能与CPU通信。3. 开关量开关的开合，阀门的开闭等，1位二进制数即可。4. 状态信息反映当前外设的工作状况，方向：外设接口CPUREADY：输入外设表明输入数据准备好否BUSY ：输出设备表明自身空闲否5.控制信息控制外设的工作，如起停，方向：CPU接口外设CPU和外设交换数据时，只有IN 、OUT指令，三种信息都可看成数据，但在接口中他们进入

3、不同的寄存器。6.3 接口部件的IO端口每个接口部件都包含一组寄存器I/O端口，相应有端口地址。数据端口、状态端口、控制端口（命令口）图6.2 外设通过接口与系统的连接有些计算机内存和IO统一编址，统一的地址空间，MOV指令访问端口。8086采用两个地址空间，有IN、OUT指令。CPU要往数据端口或状态、命令口交换信息，先送地址，再送控制，最后实现数据交换。一个双向工作的接口芯片通常有4个端口：数据出、入、状态、控制。只需共用两个端口地址号。6.4 CPU和外设之间的数据传送方式各种外设速度相差很大，CPU何时从输入设备读取数据，何时往输出设备写入数据，成为复杂的定时问题。解决方式有三：程序（

4、查询）方式、中断方式、DMA方式。6.4.1程序方式在程序控制下进行信息传送，又分为无条件传送和条件传送方式。1. 无条件传送方式计算机随时确信外设已准备就绪，无需查询外设状态，直接传输。条件是传送不太频繁，只用于简单设备如开关、7段显示管等。 无条件传送方式的工作原理输入直接用三态缓冲器与数据总线相连，输出需要锁存器。2. 条件传送方式条件传送也称查询方式，CPU执行程序不断读取外设状态，如外设准备好（输入设备）或空闲状态(输出设备)，则CPU执行输入输出指令，与外设交换信息。条件传送过程3个环节： CPU从接口中读取状态字 CPU测试状态字中的相应位是否满足“就绪”条件，不满足回第一步 如

5、“就绪”，则传送数据。图4.3 查询式输入的接口电路图4.4 查询方式输出的接口电路例子：从终端往缓冲区输入一个字符行，当遇到回车符(0DH)，或者字符行超过80个字符，输入便结束，并自动加上一个换行符(0AH)。如果在输入的81个字符中未见到回车符，则在终端上输出信息：“BUFFER OVERFLOW”7位ASC码采用偶校验，输入端口52H 输出端口54H状态端口56H状态端口第1位：输入缓冲器准备好；第0位，输出缓冲器空。DATA_SEG SEGMENTMESSAGEDBBUFFER OVERFLOW，0DH，0AH。 。DATA_SEG ENDSCOM_SEGSEGMENTBUFFERD

6、B82 DUP(?)；接收缓冲区COUNT DB？；计数器COM-SEGENDS。 。CODE SEGMENTASSUMEDS：DATA_SEG，ES：COM_SEG，CS:CODESTAT：MOVAX，DATA_SEG；对DS作初始化MOVDS，AXMOVAX，COM-SEG；对ES作初始化MOVES，AXMOVDI，OFFSET BUFFER；计数器值向缓冲区首址MOVCOUNT，DIMOVCX，81；字符行长度CLDNEXT_IN：INAL，56H读入状态TESTAL，02 ；测状态寄存器第1位，输入缓冲器是否就绪JZNEXT_IN；未准备好，则等待再测IN AL，52H；准备好，则输入

7、字符OR AL，0；校验JPENO_ERROR；校验正确，则转NO-ERRORJMPERROR；校验出错误，则转ERRORNO_ERROR: AND AL，7FH；清除校验位STOSB；将字符送缓冲区 CMP AL，0DH；是否为回车符？LOOPNENEXT_IN；不是回车，则再输入JNEOVERFLOW；不是回车且溢出，则转OVERFLOWMOVAL，0AH；加一个换行符STOSB；存入缓冲区SUBDI，COUNT；计算输入字符MOVCOUNT，DI；COUNT中为输入字符数。 。OVERFLOW： MOV SI，OFFSET MESSAGE；SI中为字符串首址MOVCX，17；字符数NEX

8、T_OUT：INAL，56H；读状态寄存器TESTAL，01H；测状态寄存器第0位JZ NEXT_OUT；如没有就绪，则再测LODSB；将字符串取到AL中OUT54H，AL；输出字符LOOPNEXT_OUT；输出下一个字符。 。对上面程序的几点说明： 程序中用ES和DI作为段寄存器和变址寄存器指向输入缓冲区，CX寄存器控制循环次数，一开始CX中设置为最大字符行的长度 DF清0是为了地址增量修改 NEXT-IN后面三条指令为测试接口状态，未绪则等待 奇偶校验是通过把输入字符与0相或 CMP指令判断遇到的字符为0DH时，程序紧接一个换行符0AH，满足程序要求查询方式输入输出会遇到一个问题，多个设备

9、都是查询方式，如何处理？轮流查询，例子：三个设备TREE-IN：MOVFLAG，0；清除标志INPUT：INAL，STAT1；读入第一个设备的状态TESTAL，20H；是否准备就绪JZDEV2；否，则转DEV2CALLPROC1；就绪，则调PROC1CMPFLAG，1 ；如标志被清除，则输入另一个数JNZINPUTDEV2：INAL，STAT2；读入第二个设备的状态TESTAL，20H；是否准备就绪JZDEV3；未准备好，则转DEV3CALLPROC2；如准备就绪，则调PROC2CMPFLAG，1；如标志被清除，则输入另一个数JNZINPUTDEV3：INAL，STAT3；读入第三个设备的状态

10、TESTAL，20H；是否准备就绪JZNO-INPUT；未准备好，则转NO-INPUTCALLPROC3；准备好，则调PROC3NO-INPUT：CMPFLAG，1；如标志被清除，则输入另一个数JNZINPUT。 。上面程序几点说明： 程序中状态寄存器没有赋予具体地址，用STAT1、STAT2、STAT3 PROC1PROC3没有具体写出 3个接口的状态寄存器均用第5位来表示准备就绪 程序中设置了一个标志FLAG，是隔任选单元，使第1设备优先查询方式时，设备可以同等优先，具体程序如下：INTREE：MOV FLAG，0；清除标志INPUT：INAL，STAT1；读入第一个设备的状态TESTAL

11、，20H；测试状态是否准备好JZDEV2；未准备好，则转DEV2CALL PROC1；如准备好，则调PROC1DEV2：INAL，STAT2；读入第二个设备的状态TESTAL，20H；测试是否准备好JZDEV3；如未准备好，则转DEV3CALLPROC2；如准备好，则调PROC2DEV3：INAL，STAT3；读入第三个设备的状态TESTAL，20H；测试是否准备好JZNO-INPUT；如未准备好，则转NOINPUTCALLPROC3；如准备好，则调PROC3NO-INPUT：CMPFLAG，1；如标志仍为0，则继续进行输入JNZINPUT例2.数据采集系统，利用查询方式进行数据采集，8个模拟

12、量，经多路开关每次接通一个模拟量，由D2D1D0选择，D4位控制A/D转换器的启动与停止。转换READY信号2口送CPU,4为控制口；3为数据口。实现程序为：BEGIN: MOV DL,0F8H；设置启动A/D转换信号LEA DI,DSTOR；输入缓冲区首址DICAIJI:MOV AL,DLAND AL,0EFH；使D4等于0OUT 4,AL； 停止A/D转换CALL DELAY； 等待停止A/D操作的完成MOV AL,DLOUT 4,AL；启动AD，且选择模拟量A0POLL:IN,AL,2；输入状态信息SHR AL,1JNC POLL；若未READY，循环等待IN AL,3；否则输入数据ST

13、OSB ；存至内存INC DL ；修改多路开关控制信号，指向下一个模拟量JNC CAIJI；8个模拟量未采完，继续，否则，跳出4.4.1 中断方式1. 中断传送方式的原理查询式比无条件传送可靠，但缺点是： CPU不断读取和检测状态字，如外设未准备好，则等待，浪费大量时间。以每秒打入10个字符记，时间浪费99.99 不具备实时性，系统有多个外设时速度差别较大，轮流查询不合适为节省CPU时间，提高效率，可以用中断方式，优点是： CPU不必花大量时间查询，外设就绪时会主动发中断请求。 在两个中断服务之间，CPU可以并行地其它操作。图5.6 中断方式输入时的接口电路关于NMI：8086有两个中断引腿：

14、NMI、INTRINTR引入的中断可被IF屏蔽，IF=1时，CPU才会通过INTA发两个负脉冲，作为应答信号。NMI引入的是非屏蔽信号，来源于监测电源电压、时钟等基本系统。图5.7为可屏蔽中断响应过程2. 中断优先级问题的解决三种解决办法：软件查询、简单硬件菊花链、专用硬件。软件查询方式借助于简单的硬件电路，以A、B、C三个外设为例，可将三个中断信号相或后，作为INTR信号端，并把它们的状态位相或后作状态字。只要在中断处理子程序的开始部分安排一段查询语句，可区分3个设备的中断优先级。简单硬件方式菊花链法图5.8a菊花链 5.8b优先权排队逻辑电路当有两个设备同时发中断请求，越接近CPU越优先得

15、到响应。专用硬件方式图6-14 编码器和比较器实现优先权排队电路中断控制器8259A最常用。图4.9 典型的可编程中断控制器内部结构框图有了中断控制器，CPU的INTR引腿和INTA引腿连接中断控制器，另一方面，来自输入输出接口的中断请求信号并行送到中断优先级管理电路，当一个外部请求送到中断控制器。 。6.4.2 DMA方式1. DMA方式的提出中断方式下，仍须执行程序来传送，每次中断都要清除指令队列、保护寄存器值、断点地址和PSW进出栈，效率不高。DMA实现数据按块传输，适合速度与存储器匹配的外设，传输率外设决定DMA方式下，外设用专用接口与存储器交换数据，接口向CPU发HOLD不经过CPU

16、，CPU发HOLDA让出总线控制权。2. DMA控制器的功能和DMA传送的原理DMA控制器应具备以下功能： 当外设准备就绪，会向DMA控制器发DMA请求HOLD高，DMA接收后能向CPU发请求 CPU接到总线请求信号后允许则发出DMA响应信号 放弃总线HLDA高 DMA控制器得到总线控制权后，发地址信号，并每发一字节修改地址，因此内部有地址寄存器和字节计数器。 DMA传送期间，DMA控制器能发读写控制信号 DMA控制器内部有字节计数器，减为0时，DMA过程结束。 DMA过程结束时，控制器应向CPU发结束信号总线交权HOLD低，CPU重获控制权 HLDA也变低图6.17 用DMA方式传输单个数据

17、(输出过程)如果从接口往内存DMA方式传输一个数据块，系统如下动作： 接口往DMA控制器发一个DMA请求；HOLD 如允许CPU送来HLDA，交出总线控制权 DMA控制器中地址寄存器的内容送到地址总线上 DMA控制器向接口发确认信号，通知接口收发数据 数据送到地址总线所指的内存单元 地址寄存器的值加1 字节计数器减1 如字节计数器的值不为0，则回到第1步，否则结束。图4.11 DMA控制器的内部最小配置和接口要求DMA控制器内部有一个控制寄存器、状态寄存器、字节计数器。如果从接口往内存DMA方式传送一个数据块，系统如下动作： 接口往DMA控制器发一个DMA请求HOLD。 DMA控制器发总线请求

18、，收到CPU的应答HLDA后，获总线控制权 DMA控制器中地址寄存器的内容送到地址总线上。 DMA控制器向接口发一个确认DMA传输的信号，送数或锁数。 数据送到地址总线所致的内存单元 地址寄存器的值加1 字节计数器的值减1 如字节计数不为0，则回到第1步，否则结束。考虑到接口的双向工作，对接口有下述要求： 控制寄存器中专门有一位，指出数据传输方向 控制寄存器有一位用来启动IO操作，这一位的设置启动外设动作 状态寄存器中必须有一位用来指出设备当前是否处于忙状态对于DMA控制寄存器，也提出了一些要求： 控制寄存器中专门有一位，作为DMA允许位 控制寄存器中专门有一位，确定DMA方向，发读还是写信号

19、 控制寄存器中还要有一位，决定进行一次传输后，是否放弃总线控制权 状态寄存器中必须有一位，表示数据块传输是否结束对DMA控制器和接口的初始化： 往DMA控制器的字节计数器设置初值，决定传输长度。 往DMA控制器的地址寄存器中设置地址初值，确定存储区首地址。 设置DMA控制字，指出数据传输方向，是否进行块传输 启动DMA 对接口部件设置控制字，指出数据传输方向，并启动IO操作。例子：启动数据块输入的程序段INTSTAT：接口的状态寄存器INTCON：接口的控制寄存器DMACON：DMA控制器中的控制寄存器BYTE-REG：字节计数器ADD-REG：地址寄存器各控制、状态位的含义见124页，程序如

20、下：IDLE：INAL，INTSTAT；检测设备是否处于忙状态TESTAL，04 JNZIDLEMOVAX，COUNT；设置计数值OUTBYTE-REG，AXLEAAX，BUFFER；设置地址初值OUTADD-REG，AXMOVAL，DMACON；取原DMA控制字ORAL，49H；设置方向、块传输和允许标志OUTDMACON，AL；置DMA控制字MOVAL，INTCON；设置接口的传输方向及允许标志ORAL，05HOUTINTCON，AL；设置接口的控制字。 。数据块传输结束时，DMA控制器状态寄存器中有一个传输结束标志被置1(可供状态查询)，同时DMA控制器会从引腿上送出一个传输结束信号(可作中断请求，但DMA控制器不能提供中断类型号)如DMA控制器上接了多个接口，还要增加一些寄存器的数目。3. DMA控制器的工作特点它一方面是个接口电路，有IO端口地址，可被CPU读写操作。DMA控制器传输时不用指令，通过硬件逻辑电路用固定顺序发地址、读写信号来实现高速数据传输。输入输出过程中的几个共性问题（查询、中断、DMA）1. 系统如何知道接口部件已经准备好数据等待CPU提取或者准备接受CPU送来的数据？2. 当系统中有几个设备处于同一传输方式下，同时发出请求时，如何处理？3. 缓冲区的概念。