汇编语言第8章 输入输出接口

第第8章章 I/O 接口与接口与DMA技术技术本章主要内容本章主要内容(1)I/O接口的基本概念接口的基本概念(2)I/O控制方式控制方式(3)DMA接口技术接口技术(4)可编程可编程DMA控制器控制器82378.1 I/O接口概述接口概述8.1.1 I/O接口的基本功能接口的基本功能 (1)数据缓冲数据缓冲 (2)提供联络信息提供联络信息 (3)信号与信息格式的转换信号与信息格式的转换 (4)设备选择设备选择 (5)中断管理中断管理 (6)可编程功能可编程功能8.1.2 I/O接口的基本结构接口的基本结构nI/O接口的基本结构如图接口的基本结构如图8.1所示。所示。cpu外外 围围 设设 备备 数据输入寄存器数据输入寄存器数据输出寄存器数据输出寄存器状态寄存器状态寄存器 控制寄存器控制寄存器中断控制逻辑中断控制逻辑数据总线数据总线地址总线地址总线控制总线控制总线图图8.1 I/O 接口的基本结构接口的基本结构I/O接口接口8.1.3 I/O端口的编址方式端口的编址方式n输入输出接口包含一组称为输入输出接口包含一组称为I/O端口的寄存器。为了让端口的寄存器。为了让CPU能够访问这些能够访问这些I/O端口，每个端口，每个I/O端口都需有自己端口都需有自己的端口地址的端口地址(或端口号或端口号)。n在一个微型计算机系统中，如何编排这些在一个微型计算机系统中，如何编排这些I/O接口的端接口的端口地址，称为口地址，称为I/O端口的编址方式。端口的编址方式。n常见的常见的I/O端口编址方式有两种端口编址方式有两种:n一种是一种是I/O端口和存储器端口和存储器统一编址统一编址，也称存储器映像的，也称存储器映像的I/O(MemoryMapped I/O)方式；方式；n另一种是另一种是I/O端口和存储器端口和存储器分开编址分开编址，也称，也称I/O映像的映像的I/O(I/O Mapped I/O)方式方式1.I/O端口和存储器统一编址端口和存储器统一编址n(Memory-mapped I/O)nI/O端口和存储器统一编址的地址空间分布情况如图端口和存储器统一编址的地址空间分布情况如图8.2所示。所示。I/O 端口端口存储单元存储单元I/O 地址空间地址空间存储器地址空间存储器地址空间整个地址空间整个地址空间图图8.2 I/O 端口和存储器统一编址端口和存储器统一编址n这种编址方式的优点是，这种编址方式的优点是，可以用访向存储器的指令来可以用访向存储器的指令来访问访问I/O端口，而访问存储器的指令功能比较强，不仅端口，而访问存储器的指令功能比较强，不仅有一般的传送指令，还有算术、逻辑运算指令，以及有一般的传送指令，还有算术、逻辑运算指令，以及各种移位、比较指令等，并且可以实现直接对各种移位、比较指令等，并且可以实现直接对I/O端口端口内的数据进行处理。内的数据进行处理。n例如，若一个存储器映像的例如，若一个存储器映像的I/O端口地址为端口地址为3000H,n则可以直接用指令则可以直接用指令“ADD AL,DS:3000H”对端口的对端口的内容进行算术运算。内容进行算术运算。n缺点是：缺点是：n由于由于I/O端口占用了一部分存储器地址空间，因而使用端口占用了一部分存储器地址空间，因而使用户的存储地址空间相对减小；户的存储地址空间相对减小；n另外，由于利用访问存储器的指令来进行另外，由于利用访问存储器的指令来进行I/O操作，指操作，指令的长度通常比单独令的长度通常比单独I/O指令要长，因而指令的执行时指令要长，因而指令的执行时间也较长。间也较长。n微处理器微处理器MC6800系列、系列、6502系列以及系列以及MC680 x0系列系列采用这种编址方式。采用这种编址方式。2.I/O端口和存储器单独编址端口和存储器单独编址 (I/O-mapped I/O)nI/O端口和存储器单独编址的地址空间分布如图端口和存储器单独编址的地址空间分布如图8.3所示。所示。存储单元存储单元存储地址空间存储地址空间I/O 端口端口I/O 地址空间地址空间图图8.3 I/O 端口和存储器单独编址端口和存储器单独编址 n这种编址方式的这种编址方式的优点是：优点是：n第一，第一，I/O端口不占用存储器地址，故不会减少用户的端口不占用存储器地址，故不会减少用户的存储器地址空间；存储器地址空间；n第二，单独第二，单独I/O指令的地址码较短，地址译码方便，指令的地址码较短，地址译码方便，I/O指令短，执行速度快；指令短，执行速度快；n第三，采用单独的第三，采用单独的I/O指令，使程序中指令，使程序中I/O操作和其他操作和其他操作层次清晰，便于理解。操作层次清晰，便于理解。n这种编址方式的这种编址方式的缺点是：缺点是：n第一，单独第一，单独I/O指令的功能有限，只能对端口数据进行指令的功能有限，只能对端口数据进行输入输入/输出操作，不能直接进行移位、比较等其他操作；输出操作，不能直接进行移位、比较等其他操作；n第二，由于采用了专用的第二，由于采用了专用的I/O操作时序及操作时序及I/O控制信号控制信号线，因而增加了微处理器本身控制逻辑的复杂性。线，因而增加了微处理器本身控制逻辑的复杂性。n微处理器微处理器Z80系列、系列、Intel 80 x86系列采用了这种编址方系列采用了这种编址方式。式。8.1.4 I/O接口的地址分配接口的地址分配表表8-1 系统板系统板I/O端口地址分配端口地址分配地址空间地址空间器件器件/接口适配器接口适配器实际使用端口地址实际使用端口地址0000001FHDMA控制器控制器8237000FH0020003FH中断控制器中断控制器8259A2021H0040005FH计数器计数器/定时器定时器82534043H0060007FH并行接口片并行接口片8255A6063H0080009FHDMA页面寄存器页面寄存器（74LS670）8083H00A000BFHNMI寄存器寄存器A0H00C001FFH未用未用表表8-2 扩展槽扩展槽I/O端口地址分配端口地址分配地址空间地址空间器件器件/接口适配器接口适配器地址空间地址空间器件器件/接口适配器接口适配器20020FH游戏卡游戏卡38038FHSDLC通信卡通信卡210217H扩充部件扩充部件3903AFH未用未用2182F7H未用未用3B03BFH单显单显/打印卡打印卡2F82FFH异步通信卡异步通信卡(COM2)3C03CFH未用未用30031FH未用未用3D03DFH彩显彩显/图形卡图形卡32032FH硬盘卡硬盘卡3E03EFH未用未用330377H未用未用3F03F7H软盘卡软盘卡37837FH打印卡打印卡3F83FFH异步通信卡异步通信卡(COM1)8.1.5 I/O接口的地址译码及片选信号的产生接口的地址译码及片选信号的产生在一个微机系统中通常具有多台外设，当在一个微机系统中通常具有多台外设，当CPU与外设进与外设进行通信时，需要对各个设备所对应的接口芯片进行逻辑行通信时，需要对各个设备所对应的接口芯片进行逻辑选择，从而实现与相应的设备进行数据交换。选择，从而实现与相应的设备进行数据交换。这种逻辑选择功能是由这种逻辑选择功能是由I/O接口电路中的地址译码器实现接口电路中的地址译码器实现的。的。目前常见的一种做法是目前常见的一种做法是：先通过对：先通过对I/O端口地址的某几位端口地址的某几位高位地址进行译码，产生有效的片选信号，从而选中对高位地址进行译码，产生有效的片选信号，从而选中对应的接口芯片，再利用应的接口芯片，再利用I/O端口地址的低位地址作为对接端口地址的低位地址作为对接口芯片内部有关寄存器的选择。口芯片内部有关寄存器的选择。n例如，在例如，在IBMPC/XT微机中，其系统板上有数片微机中，其系统板上有数片I/O接口芯片，其中包括接口芯片，其中包括DMA控制器控制器8237、中断控制器、中断控制器8259A、并行接口并行接口8255A、计数器计数器/定时器定时器8253等。等。n这些接口芯片必须是在相应的片选信号有效时才能工作。这些接口芯片必须是在相应的片选信号有效时才能工作。n图图8.4所示的就是在该微机系统中片选信号的产生电路。所示的就是在该微机系统中片选信号的产生电路。A Y0 B Y1 C Y2 Y3 Y4G2B Y5 G2A Y6 G1 Y7A5A6A874LS138A7A9AENPPICST/C CSINTRCSDMACSIOWWRTDMAPG(写写DMA页面寄存器页面寄存器)WRTNMIREG（写写NMI屏蔽寄存器）屏蔽寄存器）图图8.4 片选信号的产生片选信号的产生8.2 I/O控制方式控制方式n主机与外围设备之间的数据传送控制方式主机与外围设备之间的数据传送控制方式(即即I/O控制控制方式方式)主要有三种：主要有三种：n程序控制方式程序控制方式、中断控制方式中断控制方式和和直接存储器存取直接存储器存取(DMA)方式。方式。8.2.1 程序控制方式程序控制方式n程序控制方式是指在程序控制下进行的数据传送方式。程序控制方式是指在程序控制下进行的数据传送方式。它又分为无条件传送和程序查询传送两种。它又分为无条件传送和程序查询传送两种。1.无条件传送方式无条件传送方式n优点：优点：n缺点：缺点：2.程序查询传送方式程序查询传送方式优点：优点：缺点：缺点：准备好？准备好？读取状态信息读取状态信息输入数据输入数据是是否否图图8.5 查询式输入程序流程图查询式输入程序流程图忙？忙？读取状态信息读取状态信息输出数据输出数据否否是是图图8.6 查询式输出程序流程图查询式输出程序流程图8.2.2 中断控制方式中断控制方式n与程序查询方式相比，中断控制方式的数据交换具有与程序查询方式相比，中断控制方式的数据交换具有如下特点如下特点:n(1)提高了提高了CPU的工作效率的工作效率;n(2)外围设备具有申请服务的主动权外围设备具有申请服务的主动权;n(3)CPU可以和外设并行工作可以和外设并行工作;n(4)可适合实时系统对可适合实时系统对I/O处理的要求。处理的要求。8.2.3 DMA方式方式1.DMA的基本概念的基本概念n采用程序控制方式以及中断方式进行数据传送时，都采用程序控制方式以及中断方式进行数据传送时，都是靠是靠CPU执行程序指令来实现数据的输入执行程序指令来实现数据的输入/输出的。输出的。n采用程序控制方式及中断方式时，数据的传输率不会采用程序控制方式及中断方式时，数据的传输率不会很高。很高。n对于高速外设对于高速外设，如高速磁盘装置或高速数据采集系统，如高速磁盘装置或高速数据采集系统等，采用这样的传送方式，往往满足不了其数据传输等，采用这样的传送方式，往往满足不了其数据传输率的要求。率的要求。n例如，对于磁盘装置，其数据传输率通常在例如，对于磁盘装置，其数据传输率通常在20万字节万字节/秒以上，即传输一个字节的时间要小于秒以上，即传输一个字节的时间要小于5s。n对于通常的对于通常的PC机来说，执行一条程序指令平均需要几机来说，执行一条程序指令平均需要几s时时间。显然，采用程序控制或中断方式不能满足这种高速外间。显然，采用程序控制或中断方式不能满足这种高速外设的要求。设的要求。n由此产生由此产生不需要不需要CPU干预干预(不需不需CPU执行程序指令执行程序指令)，而在，而在专门硬件控制电路控制之下进行的外设与存储器间直接数专门硬件控制电路控制之下进行的外设与存储器间直接数据传送的方式据传送的方式，称为直接存储器存取，称为直接存储器存取(Direct Memory Access)，简称简称DMA方式方式。n这一专门的硬件控制电路称为这一专门的硬件控制电路称为DMA控制器，简称控制器，简称DMAC。CPU外设外设存储器存储器总总线线：执行程序指令的数据传送路径；：执行程序指令的数据传送路径；：DMA方式的数据传送路径方式的数据传送路径图图8.7 两种不同的数据传送路径两种不同的数据传送路径2.几种不同形式的几种不同形式的DMA传送传送内存外设DMAC输出输入外设外设DMAC内存内存DMAC图图 8-8 DMA传送的几种形式传送的几种形式8.3 DMA接口技术接口技术8.3.1 DMA控制器的基本功能控制器的基本功能n(1)能接收能接收I/O接口的接口的DMA请求，并向请求，并向CPU发出总线请发出总线请求信号；求信号；n(2)当当CPU发出总线回答信号后，接管对总线的控制，发出总线回答信号后，接管对总线的控制，进入进入DMA传送过程；传送过程；n(3)能实现有效的寻址，即能输出地址信息并在数据传能实现有效的寻址，即能输出地址信息并在数据传送过程中自动修改地址；送过程中自动修改地址；n(4)能向存储器和能向存储器和I/O接口发出相应的读接口发出相应的读/写控制信号；写控制信号；n(5)能控制数据传送的字节数，控制能控制数据传送的字节数，控制DMA传送是否结束；传送是否结束；n(6)在在DMA传送结束后，能释放总线给传送结束后，能释放总线给CPU，恢复恢复CPU对总线的控制。对总线的控制。8.3.2 DMA控制器的一般结构控制器的一般结构n一个单通道一个单通道DMA控制器的一般结构及其与控制器的一般结构及其与I/O接口的接口的连接如图连接如图8.9所示。所示。n图图8.9的上半部分是的上半部分是I/O接口，下半部分是接口，下半部分是DMA控制器。控制器。计数结束信号计数结束信号（可作为中断请求信号）（可作为中断请求信号）控制寄存器控制寄存器 状态寄存器状态寄存器数据输入寄存器数据输入寄存器数据输出寄存器数据输出寄存器控制寄存器控制寄存器 状态寄存器状态寄存器地址寄存器地址寄存器字节计数寄存器字节计数寄存器数据总线数据总线控制总线控制总线数据总线数据总线控制总线控制总线地址总线地址总线地址总线地址总线地址译地址译码器码器 DMA控制器控制器DMA请求请求DMA响应响应中断请求中断请求外设外设I/O 接口接口总线回答总线回答总线请求总线请求图图8.9 DMA控制器的一般结构及其与控制器的一般结构及其与I/O 接口的连接接口的连接8.3.3 DMA控制器的工作方式控制器的工作方式 DMA控制器的工作方式通常有控制器的工作方式通常有“单字节传输方式单字节传输方式”、“块传输方式块传输方式”以及以及“请求传输方式请求传输方式”等，下面分别予等，下面分别予以说明。以说明。1.单字节传输方式单字节传输方式n在单字节传输方式下，在单字节传输方式下，DMA控制器每次请求总线只传控制器每次请求总线只传送一个字节数据，传送完后即释放总线控制权。送一个字节数据，传送完后即释放总线控制权。n在此方式下，总线控制权处于在此方式下，总线控制权处于CPU与与DMA控制器交替控制器交替控制之中，其间，总线控制权经过多次交换。控制之中，其间，总线控制权经过多次交换。2.块传输方式块传输方式(也称成组传输方式也称成组传输方式)n块传输方式是指块传输方式是指DMA控制器每次请求总线即连续传送控制器每次请求总线即连续传送一个数据块，待整个数据块全部传送完成后再释放总一个数据块，待整个数据块全部传送完成后再释放总线控制权。线控制权。3.请求传输方式请求传输方式n每传输完一个字节，每传输完一个字节，DMA控制器都要检测由控制器都要检测由I/O接口接口发来的发来的“DMA请求请求”信号是否仍然有效，如果该信号仍信号是否仍然有效，如果该信号仍有效，则继续进行有效，则继续进行DMA传输；传输；n否则，就暂停传输，交还总线控制权给否则，就暂停传输，交还总线控制权给CPU，直至直至“DMA请求请求”信号再次变为有效，数据块传输则从刚才信号再次变为有效，数据块传输则从刚才暂停的那一点继续进行下去。暂停的那一点继续进行下去。8.3.4 DMA工作过程工作过程 在在DMA方式下，往往传送的是一个数据块，但传送这方式下，往往传送的是一个数据块，但传送这个数据块的具体操作方式，可以采用上面介绍的单字个数据块的具体操作方式，可以采用上面介绍的单字节传输方式，也可采用块传输或请求传输方式。节传输方式，也可采用块传输或请求传输方式。n下面先以从下面先以从内存输出一个字节数据到外设内存输出一个字节数据到外设的的DMA传送传送过程为例，具体说明过程为例，具体说明DMA的操作过程。的操作过程。n然后再给出然后再给出以以DMA方式输入一个数据块方式输入一个数据块的工作过程。的工作过程。以以DMA方式从内存输出一个字节数据到外设的具体工方式从内存输出一个字节数据到外设的具体工作过程如图作过程如图8.10中第中第步所示。步所示。(6)内存把数据送数据总线内存把数据送数据总线(7)接口锁存数据接口锁存数据内存内存接口接口DMA控制器控制器I/O 设备设备8086 和总线和总线控制逻辑控制逻辑HOLD HLDA(1)接口准备就绪，接口准备就绪，发发DMA请求请求(2)发总线请求发总线请求(3)总线允许总线允许(5)DMA请求得到确认请求得到确认(9)8086收回总线控制权收回总线控制权(8)撤销总线请求撤销总线请求(4)DMA控制器把地址送地址总线控制器把地址送地址总线数数据据总总线线控控制制总总线线地地址址总总线线图图 8-10 以以DMA方式输出一个字节数据的工作过程方式输出一个字节数据的工作过程n若从外设往内存输入一个数据块若从外设往内存输入一个数据块(输入过程输入过程)，在，在单字节传单字节传输方式下输方式下，其主要工作过程为：，其主要工作过程为：(1)I/O接口向接口向DMA控制器发送控制器发送DMA请求信号；请求信号；(2)DMA控制器向控制器向CPU发总线请求信号，当得到发总线请求信号，当得到CPU送来的送来的总线允许信号后，总线允许信号后，DMA控制器获得总线控制权；控制器获得总线控制权；(3)DMA控制器将其地址寄存器的内容送到地址总线上。控制器将其地址寄存器的内容送到地址总线上。(4)DMA控制器往控制器往I/O接口发送接口发送DMA响应信号，并接着响应信号，并接着发出读发出读I/O接口信号接口信号IOR，令令I/O接口把数据送到数据总接口把数据送到数据总线上；线上；(5)DMA控制器发出存储器写信号控制器发出存储器写信号MEMW，将数据传送将数据传送到由地址总线上的地址所指向的内存单元；到由地址总线上的地址所指向的内存单元；(6)DMA控制器放弃对总线的控制权；控制器放弃对总线的控制权；(7)地址寄存器加地址寄存器加1；(8)字节计数寄存器减字节计数寄存器减1；(9)如果字节计数寄存器的值不为零，则返回第一步，否如果字节计数寄存器的值不为零，则返回第一步，否则结束。则结束。第第8章章 作业作业8.1 8.2 8.3 8.5 8.6 8.7 8.11