基于8086的輸入輸出機(jī)理研究

1、基于8086的輸入輸出機(jī)理研究姓名：徐滿彪 單位：青島理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院班級(jí)：計(jì)算083 學(xué)號(hào)：200807228Email：taxueliuxiang1 引言輸入和輸出設(shè)備是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分。程序、原始數(shù)據(jù)和各種現(xiàn)場(chǎng)采集到的資料和信息，都要通過(guò)輸入設(shè)備輸入至計(jì)算機(jī)。計(jì)算結(jié)果或各種控制信號(hào)要輸出給各種輸出設(shè)備，以便顯示、打印和實(shí)現(xiàn)各種控制動(dòng)作。常用的輸入設(shè)備有鍵盤(Key Board)、鼠標(biāo)、掃描儀，或者經(jīng)過(guò)A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換的現(xiàn)場(chǎng)信息等。 常用的輸出設(shè)備有CRT、各種行打印機(jī)(Line Printer)、繪圖儀，以及經(jīng)過(guò)D/A(數(shù)/模)轉(zhuǎn)換的各種控制信號(hào)。近年來(lái)，多媒體技術(shù)有了很大

2、發(fā)展，聲音和圖像的輸入和輸出也是重要的I/O設(shè)備。CPU與外部設(shè)備(Peripheral)交換信息也是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中十分重要和十分頻繁的操作。 外部設(shè)備的種類繁多，可以是機(jī)械式、電動(dòng)式、電子式以及其他形式。輸入的信息也不相同，可以是數(shù)字量、模擬量(模擬的電壓、電流)，也可以是開(kāi)關(guān)量(兩個(gè)狀態(tài)的信息)。而且輸入信息的速度也有很大區(qū)別，可以是手動(dòng)的鍵盤輸入(每個(gè)字符輸入的速度為秒級(jí))，也可以是磁盤輸入(它能以1Mb/s的速率傳送)。所以CPU與外設(shè)之間的連接與信息交換是比較復(fù)雜的。2 摘要（1）輸入輸出的尋址方式:CPU尋址外設(shè)可以有兩種方式： 存儲(chǔ)器對(duì)應(yīng)輸入輸出方式和端口尋址的輸入輸出方式。存儲(chǔ)器

3、對(duì)應(yīng)輸入輸出方式：在這種方式中，把一個(gè)外設(shè)端口作為存儲(chǔ)器的一個(gè)單元來(lái)對(duì)待，故每一個(gè)外設(shè)端口占有存儲(chǔ)器的一個(gè)地址。從外部設(shè)備輸入一個(gè)數(shù)據(jù)，作為一次存儲(chǔ)器讀的操作；而向外部設(shè)備輸出一個(gè)數(shù)據(jù)，則作為一次存儲(chǔ)器寫的操作。優(yōu)點(diǎn)是： CPU對(duì)外設(shè)的操作可使用全部的存儲(chǔ)器操作指令，故指令多，使用方便。如可對(duì)外設(shè)中的數(shù)據(jù)(存于外設(shè)的寄存器中)進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算，進(jìn)行循環(huán)或移位等。內(nèi)存和外設(shè)的地址分布圖是同一個(gè)。不需要專門的輸入輸出指令以及區(qū)分是存儲(chǔ)器還是I/O操作的控制信號(hào)。端口尋址的輸入輸出方式：在這種工作方式中，CPU有專門的I/O指令，用地址來(lái)區(qū)分不同的外設(shè)。但要注意，實(shí)際上是以端口(Port)作為地址

4、的單元，因?yàn)橐粋€(gè)外設(shè)不僅有數(shù)據(jù)寄存器還有狀態(tài)寄存器和控制命令寄存器，它們各需要一個(gè)端口才能加以區(qū)分，故一個(gè)外設(shè)往往需要多個(gè)端口地址。CPU用地址來(lái)選擇外設(shè)。通常專用的I/O指令，只用一個(gè)字節(jié)作為端口地址，故最多可尋址256個(gè)端口。（2）CPU與I/O設(shè)備之間的接口信息數(shù)據(jù)(Data)：在微型計(jì)算機(jī)中，數(shù)據(jù)通常為8位、16位或32位。它大致可以分為三種基本類型：數(shù)字量、模擬量、開(kāi)關(guān)量。狀態(tài)信息(Status)：在輸入時(shí)，有輸入設(shè)備的狀態(tài)信息是否準(zhǔn)備好(Ready)；在輸出時(shí)，有輸出設(shè)備的狀態(tài)信息是否有空(Empty)，若輸出設(shè)備正在輸出信息，則以忙(Busy)指示等。 控制信息(Control)

5、：例如控制輸入輸出設(shè)備啟動(dòng)或停止等信息。（3）CPU的輸入輸出時(shí)序：在最大組態(tài)下，8086的基本輸入輸出總線周期的時(shí)序與存儲(chǔ)器讀寫的時(shí)序是類似的。但是，通常I/O接口電路的工作速度較慢，往往需要插入等待狀態(tài)。（4）CPU與接口電路之間數(shù)據(jù)傳送的形式CPU與外設(shè)的信息交換稱為通信(Communication)。基本的通信方式有兩種：并行通信數(shù)據(jù)的各位同時(shí)傳送；串行通信數(shù)據(jù)一位一位順序傳送。3 基本理論與原理（1） 查詢傳送方式查詢式輸入：CPU與I/O設(shè)備的工作往往是異步的，很難保證，當(dāng)CPU執(zhí)行輸入操作時(shí)，外設(shè)已把要輸入的信息準(zhǔn)備好了；而當(dāng)CPU執(zhí)行輸出時(shí)，外設(shè)的寄存器（用于存放CPU輸出數(shù)據(jù)

6、的寄存器）一定是空的。查詢式輸出：在輸出時(shí)，CPU也必須了解外設(shè)的狀態(tài)，看外設(shè)是否有空(即外設(shè)不正處在輸出狀態(tài)，或外設(shè)的數(shù)據(jù)寄存器是空的，可以接收CPU輸出的信息)，若有空，則CPU執(zhí)行輸出指令，否則就等待。（2） 中斷傳送方式在上述的查詢傳送方式中，CPU要不斷地詢問(wèn)外設(shè)，當(dāng)外設(shè)沒(méi)有準(zhǔn)備好時(shí)，CPU要等待，不能干別的操作，這樣就浪費(fèi)了CPU的時(shí)間。而且許多外設(shè)的速度是較低的，如鍵盤、打印機(jī)等，它們輸入或輸出一個(gè)數(shù)據(jù)的速度是很慢的，在這個(gè)過(guò)程中，CPU可以執(zhí)行大量的指令。為了提高CPU的效率，可采用中斷的傳送方式。即當(dāng)CPU需要輸入或輸出時(shí)，若外設(shè)的輸入數(shù)據(jù)已存入寄存器；在輸出時(shí)，若外設(shè)已把上

7、一個(gè)數(shù)據(jù)輸出，輸出寄存器已空，這時(shí)由外設(shè)向CPU發(fā)出中斷申請(qǐng)，CPU就暫停原來(lái)執(zhí)行的程序(即實(shí)現(xiàn)中斷)，轉(zhuǎn)去執(zhí)行輸入或輸出操作(中斷服務(wù))，待輸入輸出操作完成后即返回，CPU再繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)的程序。這樣就可以大大地提高CPU的效率，而且有了中斷的概念，允許CPU與外設(shè)(甚至多個(gè)外設(shè))同時(shí)工作。（3） 直接數(shù)據(jù)通道傳送DMA（DirectMemoryAccess）方式DMA控制器的基本功能：DMAC是控制存儲(chǔ)器和外部設(shè)備之間直接高速地傳送數(shù)據(jù)的硬件電路，它應(yīng)能取代CPU具體地說(shuō)，DMAC應(yīng)具有如下功能：(1) 能接收外設(shè)的請(qǐng)求，向CPU發(fā)出DMA請(qǐng)求信號(hào)；(2) 當(dāng)CPU發(fā)出DMA響應(yīng)信號(hào)之后，接

8、管對(duì)總線的控制，進(jìn)入DMA方式；(3) 能尋址存儲(chǔ)器，即能輸出地址信息和修改地址；(4) 能向存儲(chǔ)器和外設(shè)發(fā)出相應(yīng)的讀/寫控制信號(hào)；(5) 能控制傳送的字節(jié)數(shù)，判斷DMA傳送是否結(jié)束；(6) 在DMA傳送結(jié)束以后，能結(jié)束DMA請(qǐng)求信號(hào)，釋放總線，使CPU恢復(fù)正常工作。DMA傳送方式，DMAC一般都有兩種基本的DMA傳送方式：(1) 單字節(jié)方式：每次DMA請(qǐng)求只傳送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，每傳送完一個(gè)字節(jié)，都撤除DMA請(qǐng)求信號(hào)釋放總線；(2) 字節(jié)(字符)組方式：每次DMA請(qǐng)求連續(xù)傳送一個(gè)數(shù)據(jù)塊，待規(guī)定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)塊傳送完了以后才撤除DMA請(qǐng)求釋放總線。（5）DMA控制器的主要功能在一個(gè)芯片中有四個(gè)獨(dú)立的D

9、MA通道(8237必須與一片8位地址鎖存器如8282連用)。每一個(gè)通道的DMA請(qǐng)求都可以分別允許和禁止。每一個(gè)通道的DMA請(qǐng)求有不同的優(yōu)先權(quán)，優(yōu)先權(quán)可以是固定的，也可以是旋轉(zhuǎn)的(由編程決定)。每一個(gè)通道一次傳送的最大長(zhǎng)度可達(dá)64KB，可以在存儲(chǔ)器與外設(shè)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，也可以在存儲(chǔ)器的兩個(gè)區(qū)域之間進(jìn)行傳送。8237的DMA傳送有以下四種方式：?jiǎn)巫止?jié)傳送方式；數(shù)據(jù)塊傳送方式；請(qǐng)求傳送方式；級(jí)連方式。有一個(gè)結(jié)束處理的輸入信號(hào)EOP，允許外界用此輸入端來(lái)結(jié)束DMA傳送或重新初始化。 8237可以級(jí)連，任意擴(kuò)展通道數(shù)48237的結(jié)構(gòu)（1）結(jié)構(gòu)時(shí)序控制邏輯塊：根據(jù)編程規(guī)定的DMAC的工作模式，產(chǎn)生包括DM

10、A請(qǐng)求，DMA傳送以及DMA結(jié)束所需要的內(nèi)部時(shí)序和外部信號(hào)。程序命令控制塊：對(duì)在DMA請(qǐng)求服務(wù)之前CPU編程時(shí)所給定的命令字和模式控制字進(jìn)行譯碼，以確定DMA服務(wù)的類型。優(yōu)先權(quán)編碼邏輯：對(duì)同時(shí)有請(qǐng)求的通道進(jìn)行優(yōu)先權(quán)編碼，確定哪個(gè)通道的優(yōu)先權(quán)最高。在 8237中，通道的優(yōu)先權(quán)可以是固定的，也可以是旋轉(zhuǎn)的。（2）8237的工作周期：8237在設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定它有兩種主要的工作周期，即空閑 周期和有效周期。每一個(gè)周期又由若干個(gè)時(shí)鐘周期組成?？臻e周期: 當(dāng)8237的任一通道都無(wú)請(qǐng)求時(shí)就進(jìn)入空閑周期(Idle Cycle)。在空閑周期，8237始終執(zhí)行SI狀態(tài)，在每一個(gè)時(shí)鐘周期都采樣通道的請(qǐng)求輸入線DREQ。

11、只要無(wú)請(qǐng)求就始終停留在SI狀態(tài)。有效周期：當(dāng)8237在SI狀態(tài)采樣到外設(shè)有請(qǐng)求，就脫離SI而進(jìn)入S0狀態(tài)，S0狀態(tài)是DMA服務(wù)的第一個(gè)狀態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)8237已經(jīng)接收了外設(shè)的請(qǐng)求，向CPU發(fā)出了DMA請(qǐng)求信號(hào)HRQ，但尚未收到CPU的 DMA響應(yīng)信號(hào)HLDA。當(dāng)接收到HLDA就使8237進(jìn)入工作狀態(tài)，開(kāi)始DMA傳送。（3）8237的工作模式單字節(jié)傳送模式：這種模式是編程為一次只傳送一個(gè)字節(jié)。數(shù)據(jù)傳送后字節(jié)計(jì)數(shù)器減量，地址要相應(yīng)修改(增量或減量取決于編程)。HRQ變?yōu)闊o(wú)效，釋放系統(tǒng)總線。若數(shù)據(jù)傳送使字節(jié)數(shù)減為0，TC發(fā)生，或者終結(jié)DMA傳送或者重新初始化。塊傳送方式：在這種傳送方式下，8237由

12、DREQ啟動(dòng)就連續(xù)地傳送數(shù)據(jù)，直至字節(jié)數(shù)計(jì)數(shù)器減到零產(chǎn)生TC(Terminal Count)，或者由外部輸入有效的EOP#信號(hào)來(lái)終結(jié)DMA傳送。請(qǐng)求傳送方式：在這種工作方式下，8237可以進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)傳送。當(dāng)出現(xiàn)以下三種情況之一時(shí)停止傳送：字節(jié)數(shù)計(jì)數(shù)器減到0，發(fā)生TC； 由外界送來(lái)一個(gè)有效的EOP信號(hào)；外界的DREQ信號(hào)變?yōu)闊o(wú)效(外設(shè)的數(shù)據(jù)已傳送完)。 級(jí)連方式5. 總結(jié)各種不同的輸入輸出設(shè)備要求的輸入信息和其接口都不同，而計(jì)算機(jī)的內(nèi)部通信是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的三總線進(jìn)行的，因此，外設(shè)與CPU相連必須通過(guò)一個(gè)硬件接口和控制器來(lái)完成。輸入和輸出設(shè)備是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分。程序、原始數(shù)據(jù)和各種現(xiàn)場(chǎng)采集到的資料和信息，都要通過(guò)輸入設(shè)備輸入至計(jì)算機(jī)。計(jì)算結(jié)果或各種控制信號(hào)要輸出給各種輸出設(shè)備，以便顯示、打印和實(shí)現(xiàn)各種