微機(jī)原理講義（6）IO

1、PAGE Chapter 6 微型計(jì)算機(jī)和外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸6.1為什么要用接口電路兩類接口電路：微機(jī)正常工作所需的輔助電路（時(shí)鐘、中斷接收等）輸入輸出接口電路，完成CPU與外設(shè)間數(shù)據(jù)接收與發(fā)送。常用外設(shè)：鍵盤、打印機(jī)、磁盤機(jī)，測(cè)控設(shè)備都通過(guò)輸入輸出接口與主機(jī)相連。為什么需要接口？存儲(chǔ)器卻不需要？外設(shè)能與三總線直接相連嗎？ 外設(shè)的輸入輸出操作與存儲(chǔ)器的讀寫操作不同存儲(chǔ)器功能單一、傳送方式單一、品種有限(ROM RAM)，速度與CPU匹配外設(shè)的功能多樣：輸入、輸出、測(cè)量、控制等等，數(shù)字、模擬，串行、并行（CPU是并行），多臺(tái)設(shè)備，速度通常很低可見，接口主要是解決計(jì)算機(jī)和外設(shè)間的信息變換。接口技術(shù)：研

2、究CPU和外設(shè)間數(shù)據(jù)傳送方式、電路工作原理、使用方法6.2 CPU和輸入輸出設(shè)備之間的信號(hào)6.2.1數(shù)據(jù)信息數(shù)字量二進(jìn)制形式或ASC碼表示的數(shù)據(jù)或字符，通常是8位的。模擬量用于控制的微機(jī)系統(tǒng)的輸入輸出量，各種物理量的電信號(hào)等，須經(jīng)A/D，D/A才能與CPU通信。開關(guān)量開關(guān)的開合，閥門的開閉等，1位二進(jìn)制數(shù)即可。狀態(tài)信息反映當(dāng)前外設(shè)的工作狀況，方向：外設(shè)接口CPUREADY：輸入外設(shè)表明輸入數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好否BUSY ：輸出設(shè)備表明自身空閑否5.控制信息控制外設(shè)的工作，如起停，方向：CPU接口外設(shè)CPU和外設(shè)交換數(shù)據(jù)時(shí)，只有IN 、OUT指令，三種信息都可看成數(shù)據(jù)，但在接口中他們進(jìn)入不同的寄存器。6.

3、3 接口部件的IO端口每個(gè)接口部件都包含一組寄存器I/O端口，相應(yīng)有端口地址。數(shù)據(jù)端口、狀態(tài)端口、控制端口（命令口）圖6.2 外設(shè)通過(guò)接口與系統(tǒng)的連接有些計(jì)算機(jī)內(nèi)存和IO統(tǒng)一編址，統(tǒng)一的地址空間，MOV指令訪問(wèn)端口。8086采用兩個(gè)地址空間，有IN、OUT指令。CPU要往數(shù)據(jù)端口或狀態(tài)、命令口交換信息，先送地址，再送控制，最后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。一個(gè)雙向工作的接口芯片通常有4個(gè)端口：數(shù)據(jù)出、入、狀態(tài)、控制。只需共用兩個(gè)端口地址號(hào)。6.4 CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式各種外設(shè)速度相差很大，CPU何時(shí)從輸入設(shè)備讀取數(shù)據(jù)，何時(shí)往輸出設(shè)備寫入數(shù)據(jù)，成為復(fù)雜的定時(shí)問(wèn)題。解決方式有三：程序（查詢）方式、中斷方

4、式、DMA方式。6.4.1程序方式在程序控制下進(jìn)行信息傳送，又分為無(wú)條件傳送和條件傳送方式。無(wú)條件傳送方式計(jì)算機(jī)隨時(shí)確信外設(shè)已準(zhǔn)備就緒，無(wú)需查詢外設(shè)狀態(tài)，直接傳輸。條件是傳送不太頻繁，只用于簡(jiǎn)單設(shè)備如開關(guān)、7段顯示管等。 無(wú)條件傳送方式的工作原理輸入直接用三態(tài)緩沖器與數(shù)據(jù)總線相連，輸出需要鎖存器。條件傳送方式條件傳送也稱查詢方式，CPU執(zhí)行程序不斷讀取外設(shè)狀態(tài)，如外設(shè)準(zhǔn)備好（輸入設(shè)備）或空閑狀態(tài)(輸出設(shè)備)，則CPU執(zhí)行輸入輸出指令，與外設(shè)交換信息。條件傳送過(guò)程3個(gè)環(huán)節(jié)：CPU從接口中讀取狀態(tài)字CPU測(cè)試狀態(tài)字中的相應(yīng)位是否滿足“就緒”條件，不滿足回第一步如“就緒”，則傳送數(shù)據(jù)。圖4.3 查詢

5、式輸入的接口電路圖4.4 查詢方式輸出的接口電路例子：從終端往緩沖區(qū)輸入一個(gè)字符行，當(dāng)遇到回車符(0DH)，或者字符行超過(guò)80個(gè)字符，輸入便結(jié)束，并自動(dòng)加上一個(gè)換行符(0AH)。如果在輸入的81個(gè)字符中未見到回車符，則在終端上輸出信息：“BUFFER OVERFLOW”7位ASC碼采用偶校驗(yàn)，輸入端口52H 輸出端口54H狀態(tài)端口56H狀態(tài)端口第1位：輸入緩沖器準(zhǔn)備好；第0位，輸出緩沖器空。DATA_SEG SEGMENTMESSAGEDBBUFFER OVERFLOW，0DH，0AH。 。DATA_SEG ENDSCOM_SEGSEGMENTBUFFERDB82 DUP(?)；接收緩沖區(qū)CO

6、UNT DB？；計(jì)數(shù)器COM-SEGENDS。 。CODE SEGMENTASSUMEDS：DATA_SEG，ES：COM_SEG，CS:CODESTAT：MOVAX，DATA_SEG；對(duì)DS作初始化MOVDS，AXMOVAX，COM-SEG；對(duì)ES作初始化MOVES，AXMOVDI，OFFSET BUFFER；計(jì)數(shù)器值向緩沖區(qū)首址MOVCOUNT，DIMOVCX，81；字符行長(zhǎng)度CLDNEXT_IN：INAL，56H讀入狀態(tài)TESTAL，02 ；測(cè)狀態(tài)寄存器第1位，輸入緩沖器是否就緒JZNEXT_IN；未準(zhǔn)備好，則等待再測(cè)IN AL，52H；準(zhǔn)備好，則輸入字符OR AL，0；校驗(yàn)JPENO_

7、ERROR；校驗(yàn)正確，則轉(zhuǎn)NO-ERRORJMPERROR；校驗(yàn)出錯(cuò)誤，則轉(zhuǎn)ERRORNO_ERROR: AND AL，7FH；清除校驗(yàn)位STOSB；將字符送緩沖區(qū) CMP AL，0DH；是否為回車符？LOOPNENEXT_IN；不是回車，則再輸入JNEOVERFLOW；不是回車且溢出，則轉(zhuǎn)OVERFLOWMOVAL，0AH；加一個(gè)換行符STOSB；存入緩沖區(qū)SUBDI，COUNT；計(jì)算輸入字符MOVCOUNT，DI；COUNT中為輸入字符數(shù)。 。OVERFLOW： MOV SI，OFFSET MESSAGE；SI中為字符串首址MOVCX，17；字符數(shù)NEXT_OUT：INAL，56H；讀狀態(tài)

8、寄存器TESTAL，01H；測(cè)狀態(tài)寄存器第0位JZ NEXT_OUT；如沒(méi)有就緒，則再測(cè)LODSB；將字符串取到AL中OUT54H，AL；輸出字符LOOPNEXT_OUT；輸出下一個(gè)字符。 。對(duì)上面程序的幾點(diǎn)說(shuō)明：程序中用ES和DI作為段寄存器和變址寄存器指向輸入緩沖區(qū)，CX寄存器控制循環(huán)次數(shù)，一開始CX中設(shè)置為最大字符行的長(zhǎng)度DF清0是為了地址增量修改NEXT-IN后面三條指令為測(cè)試接口狀態(tài)，未緒則等待奇偶校驗(yàn)是通過(guò)把輸入字符與0相或CMP指令判斷遇到的字符為0DH時(shí)，程序緊接一個(gè)換行符0AH，滿足程序要求查詢方式輸入輸出會(huì)遇到一個(gè)問(wèn)題，多個(gè)設(shè)備都是查詢方式，如何處理？輪流查詢，例子：三個(gè)設(shè)

9、備TREE-IN：MOVFLAG，0；清除標(biāo)志INPUT：INAL，STAT1；讀入第一個(gè)設(shè)備的狀態(tài)TESTAL，20H；是否準(zhǔn)備就緒JZDEV2；否，則轉(zhuǎn)DEV2CALLPROC1；就緒，則調(diào)PROC1CMPFLAG，1 ；如標(biāo)志被清除，則輸入另一個(gè)數(shù)JNZINPUTDEV2：INAL，STAT2；讀入第二個(gè)設(shè)備的狀態(tài)TESTAL，20H；是否準(zhǔn)備就緒JZDEV3；未準(zhǔn)備好，則轉(zhuǎn)DEV3CALLPROC2；如準(zhǔn)備就緒，則調(diào)PROC2CMPFLAG，1；如標(biāo)志被清除，則輸入另一個(gè)數(shù)JNZINPUTDEV3：INAL，STAT3；讀入第三個(gè)設(shè)備的狀態(tài)TESTAL，20H；是否準(zhǔn)備就緒JZNO-I

10、NPUT；未準(zhǔn)備好，則轉(zhuǎn)NO-INPUTCALLPROC3；準(zhǔn)備好，則調(diào)PROC3NO-INPUT：CMPFLAG，1；如標(biāo)志被清除，則輸入另一個(gè)數(shù)JNZINPUT。 。上面程序幾點(diǎn)說(shuō)明：程序中狀態(tài)寄存器沒(méi)有賦予具體地址，用STAT1、STAT2、STAT3PROC1PROC3沒(méi)有具體寫出3個(gè)接口的狀態(tài)寄存器均用第5位來(lái)表示準(zhǔn)備就緒程序中設(shè)置了一個(gè)標(biāo)志FLAG，是隔任選單元，使第1設(shè)備優(yōu)先查詢方式時(shí)，設(shè)備可以同等優(yōu)先，具體程序如下：INTREE：MOV FLAG，0；清除標(biāo)志INPUT：INAL，STAT1；讀入第一個(gè)設(shè)備的狀態(tài)TESTAL，20H；測(cè)試狀態(tài)是否準(zhǔn)備好JZDEV2；未準(zhǔn)備好，則

11、轉(zhuǎn)DEV2CALL PROC1；如準(zhǔn)備好，則調(diào)PROC1DEV2：INAL，STAT2；讀入第二個(gè)設(shè)備的狀態(tài)TESTAL，20H；測(cè)試是否準(zhǔn)備好JZDEV3；如未準(zhǔn)備好，則轉(zhuǎn)DEV3CALLPROC2；如準(zhǔn)備好，則調(diào)PROC2DEV3：INAL，STAT3；讀入第三個(gè)設(shè)備的狀態(tài)TESTAL，20H；測(cè)試是否準(zhǔn)備好JZNO-INPUT；如未準(zhǔn)備好，則轉(zhuǎn)NOINPUTCALLPROC3；如準(zhǔn)備好，則調(diào)PROC3NO-INPUT：CMPFLAG，1；如標(biāo)志仍為0，則繼續(xù)進(jìn)行輸入JNZINPUT例2.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用查詢方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，8個(gè)模擬量，經(jīng)多路開關(guān)每次接通一個(gè)模擬量，由D2D1D0選擇，

12、D4位控制A/D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)與停止。轉(zhuǎn)換READY信號(hào)2口送CPU,4為控制口；3為數(shù)據(jù)口。實(shí)現(xiàn)程序?yàn)椋築EGIN: MOV DL,0F8H；設(shè)置啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)LEA DI,DSTOR；輸入緩沖區(qū)首址DICAIJI:MOV AL,DLAND AL,0EFH；使D4等于0OUT 4,AL； 停止A/D轉(zhuǎn)換CALL DELAY； 等待停止A/D操作的完成MOV AL,DLOUT 4,AL；啟動(dòng)AD，且選擇模擬量A0POLL:IN,AL,2；輸入狀態(tài)信息SHR AL,1JNC POLL；若未READY，循環(huán)等待IN AL,3；否則輸入數(shù)據(jù)STOSB ；存至內(nèi)存INC DL ；修改多路開關(guān)控制信號(hào)

13、，指向下一個(gè)模擬量JNC CAIJI；8個(gè)模擬量未采完，繼續(xù)，否則，跳出中斷方式中斷傳送方式的原理查詢式比無(wú)條件傳送可靠，但缺點(diǎn)是：CPU不斷讀取和檢測(cè)狀態(tài)字，如外設(shè)未準(zhǔn)備好，則等待，浪費(fèi)大量時(shí)間。以每秒打入10個(gè)字符記，時(shí)間浪費(fèi)99.99不具備實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)有多個(gè)外設(shè)時(shí)速度差別較大，輪流查詢不合適為節(jié)省CPU時(shí)間，提高效率，可以用中斷方式，優(yōu)點(diǎn)是：CPU不必花大量時(shí)間查詢，外設(shè)就緒時(shí)會(huì)主動(dòng)發(fā)中斷請(qǐng)求。在兩個(gè)中斷服務(wù)之間，CPU可以并行地其它操作。圖5.6 中斷方式輸入時(shí)的接口電路關(guān)于NMI：8086有兩個(gè)中斷引腿：NMI、INTRINTR引入的中斷可被IF屏蔽，IF=1時(shí)，CPU才會(huì)通過(guò)INT

14、A發(fā)兩個(gè)負(fù)脈沖，作為應(yīng)答信號(hào)。NMI引入的是非屏蔽信號(hào)，來(lái)源于監(jiān)測(cè)電源電壓、時(shí)鐘等基本系統(tǒng)。圖5.7為可屏蔽中斷響應(yīng)過(guò)程中斷優(yōu)先級(jí)問(wèn)題的解決三種解決辦法：軟件查詢、簡(jiǎn)單硬件菊花鏈、專用硬件。軟件查詢方式借助于簡(jiǎn)單的硬件電路，以A、B、C三個(gè)外設(shè)為例，可將三個(gè)中斷信號(hào)相或后，作為INTR信號(hào)端，并把它們的狀態(tài)位相或后作狀態(tài)字。只要在中斷處理子程序的開始部分安排一段查詢語(yǔ)句，可區(qū)分3個(gè)設(shè)備的中斷優(yōu)先級(jí)。簡(jiǎn)單硬件方式菊花鏈法圖5.8a菊花鏈 5.8b優(yōu)先權(quán)排隊(duì)邏輯電路當(dāng)有兩個(gè)設(shè)備同時(shí)發(fā)中斷請(qǐng)求，越接近CPU越優(yōu)先得到響應(yīng)。專用硬件方式圖6-14 編碼器和比較器實(shí)現(xiàn)優(yōu)先權(quán)排隊(duì)電路中斷控制器8259A最

15、常用。圖4.9 典型的可編程中斷控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖有了中斷控制器，CPU的INTR引腿和INTA引腿連接中斷控制器，另一方面，來(lái)自輸入輸出接口的中斷請(qǐng)求信號(hào)并行送到中斷優(yōu)先級(jí)管理電路，當(dāng)一個(gè)外部請(qǐng)求送到中斷控制器。 。6.4.2 DMA方式DMA方式的提出中斷方式下，仍須執(zhí)行程序來(lái)傳送，每次中斷都要清除指令隊(duì)列、保護(hù)寄存器值、斷點(diǎn)地址和PSW進(jìn)出棧，效率不高。DMA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)按塊傳輸，適合速度與存儲(chǔ)器匹配的外設(shè)，傳輸率外設(shè)決定DMA方式下，外設(shè)用專用接口與存儲(chǔ)器交換數(shù)據(jù)，接口向CPU發(fā)HOLD不經(jīng)過(guò)CPU，CPU發(fā)HOLDA讓出總線控制權(quán)。DMA控制器的功能和DMA傳送的原理DMA控制器應(yīng)具備以

16、下功能：當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備就緒，會(huì)向DMA控制器發(fā)DMA請(qǐng)求HOLD高，DMA接收后能向CPU發(fā)請(qǐng)求CPU接到總線請(qǐng)求信號(hào)后允許則發(fā)出DMA響應(yīng)信號(hào) 放棄總線HLDA高DMA控制器得到總線控制權(quán)后，發(fā)地址信號(hào)，并每發(fā)一字節(jié)修改地址，因此內(nèi)部有地址寄存器和字節(jié)計(jì)數(shù)器。DMA傳送期間，DMA控制器能發(fā)讀寫控制信號(hào)DMA控制器內(nèi)部有字節(jié)計(jì)數(shù)器，減為0時(shí)，DMA過(guò)程結(jié)束。DMA過(guò)程結(jié)束時(shí)，控制器應(yīng)向CPU發(fā)結(jié)束信號(hào)總線交權(quán)HOLD低，CPU重獲控制權(quán) HLDA也變低圖6.17 用DMA方式傳輸單個(gè)數(shù)據(jù)(輸出過(guò)程)如果從接口往內(nèi)存DMA方式傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)塊，系統(tǒng)如下動(dòng)作：接口往DMA控制器發(fā)一個(gè)DMA請(qǐng)求；HOL

17、D如允許CPU送來(lái)HLDA，交出總線控制權(quán)DMA控制器中地址寄存器的內(nèi)容送到地址總線上DMA控制器向接口發(fā)確認(rèn)信號(hào)，通知接口收發(fā)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)送到地址總線所指的內(nèi)存單元地址寄存器的值加1字節(jié)計(jì)數(shù)器減1如字節(jié)計(jì)數(shù)器的值不為0，則回到第1步，否則結(jié)束。圖4.11 DMA控制器的內(nèi)部最小配置和接口要求DMA控制器內(nèi)部有一個(gè)控制寄存器、狀態(tài)寄存器、字節(jié)計(jì)數(shù)器。如果從接口往內(nèi)存DMA方式傳送一個(gè)數(shù)據(jù)塊，系統(tǒng)如下動(dòng)作：接口往DMA控制器發(fā)一個(gè)DMA請(qǐng)求HOLD。DMA控制器發(fā)總線請(qǐng)求，收到CPU的應(yīng)答HLDA后，獲總線控制權(quán)DMA控制器中地址寄存器的內(nèi)容送到地址總線上。DMA控制器向接口發(fā)一個(gè)確認(rèn)DMA傳輸?shù)男?/p>

18、號(hào)，送數(shù)或鎖數(shù)。數(shù)據(jù)送到地址總線所致的內(nèi)存單元地址寄存器的值加1字節(jié)計(jì)數(shù)器的值減1如字節(jié)計(jì)數(shù)不為0，則回到第1步，否則結(jié)束?？紤]到接口的雙向工作，對(duì)接口有下述要求：控制寄存器中專門有一位，指出數(shù)據(jù)傳輸方向控制寄存器有一位用來(lái)啟動(dòng)IO操作，這一位的設(shè)置啟動(dòng)外設(shè)動(dòng)作狀態(tài)寄存器中必須有一位用來(lái)指出設(shè)備當(dāng)前是否處于忙狀態(tài)對(duì)于DMA控制寄存器，也提出了一些要求：控制寄存器中專門有一位，作為DMA允許位控制寄存器中專門有一位，確定DMA方向，發(fā)讀還是寫信號(hào)控制寄存器中還要有一位，決定進(jìn)行一次傳輸后，是否放棄總線控制權(quán)狀態(tài)寄存器中必須有一位，表示數(shù)據(jù)塊傳輸是否結(jié)束對(duì)DMA控制器和接口的初始化：往DMA控制器的字節(jié)計(jì)數(shù)器設(shè)置初值，決定傳輸長(zhǎng)度。往DMA控制器的地址寄存器中設(shè)置地址初值，確定存儲(chǔ)區(qū)首地址。設(shè)置DMA控制字，指出數(shù)據(jù)傳輸方向，是否進(jìn)行塊傳輸 啟動(dòng)DMA對(duì)接口部件設(shè)置控制字，指出數(shù)據(jù)傳輸方向，并啟動(dòng)IO操作。例子：?jiǎn)?dòng)數(shù)據(jù)塊輸入的程序段INTSTAT：接口的狀態(tài)寄存器INTCO