第 7 章输入和输出1.ppt

微机原理及应用第 7 章 输入和输出v概述vCPU与外设数据传送的方式vDMA控制器本章要点本章要点12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出 输入和输出设备是计算机系统的重要组成部分。程序、原始数据和各种现场采集到的资料和信息，都要通过输入设备输入至计算机。计算结果或各种控制信号要输出给各种输出设备，以便显示、打印和实现各种控制动作。常用的输入设备有键盘(Key Board)、鼠标、扫描仪，或者经过A/D(模/数)转换的现场信息等。7.1 概述12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出CPU寻址外设可以有两种方式：存储器对应输入输出方式和端口寻址的输入输出方式。1.存储器对应输入输出方式把一个外设端口作为存储器的一个单元来对待，故每一个外设端口占有存储器的一个地址。从外部设备输入一个数据，作为一次存储器读的操作；而向外部设备输出一个数据，则作为一次存储器写的操作。7.1.1 输入输出的寻址方式12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出2.端口寻址的输入输出方式实际上是以端口(Port)作为地址的单元，因为一个外设不仅有数据寄存器还有状态寄存器和控制命令寄存器，它们各需要一个端口才能加以区分，故一个外设往往需要多个端口地址。CPU用地址来选择外设。通常专用的I/O指令(IN,OUT)，只用一个字节作为端口地址，故最多可寻址256个端口。而用DX间接寻址外设时，则端口地址是16位的，可寻址216=64K个端口地址。12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出 CPU与一个外设之间交换的信息，如图7-1所示。7.1.2 CPU与I/O设备之间的接口信息图7-112/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出传送的信息包括以下几种:1.数据(Data)它大致可以分为三种基本类型：(1)数字量：由键盘等输入的信息是以二进制形式表示的数或以ASCII码表示的数或字符。(2)模拟量：当计算机用于控制时，大量的现场信息经过传感器把非电量(例如温度、压力、流量、位移等)转换为电量。这些模拟量必须先经过A/D转换才能输入计算机。(3)开关量：开关量是两个状态的量，如电机的运转与停止，开关的闭合与断开，阀门的打开和关闭等。这些量只要用一位二进制数即可表示。12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出2.状态信息(Status)在输入时，有输入设备的状态信息是否准备好(Ready)；在输出时，有输出设备的状态信息是否有空(Empty)，若输出设备正在输出信息，则以忙(Busy)指示等。3.控制信息(Control)例如控制输入输出设备启动或停止等信息。12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出CPU与外设的信息交换称为通信(Communication)。基本的通信方式有两种：并行通信与串行通信方式，如图7-4所示。并行通信数据的各位同时传送；串行通信数据一位一位顺序传送。7.1.3 CPU与接口电路之间数据传送的形式图7-412/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出7.2 CPU与外设数据传送的方式7.2.1 查询传送方式1.查询式输入 CPU与I/O设备的工作往往是异步的。所以，通常在传送前，必须要查询外设的状态，当外设准备就绪了才传送；若未准备好，则CPU等待。方框图如图7-9所示12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出图7-912/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出当输入设备的数据已经准备好后便发出一个选通信号，一方面把数据送入锁存器，另一方面使D触发器为“1”，给出“准备好”(Ready)的状态信号。而数据信号与状态信号必须由不同的端口输至CPU数据总线。当CPU要由外设输入信息时，先输入状态信息，检查数据是否已经准备好，当数据已经准备好后，才输入数据。读入数据的命令，使状态信息清“0”。12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出这种查询输入方式的程序流程图如图7-11所示。图7-1112/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出查询部分的程序如下：POLL:INAL，STATUS_PORT；从状态端口输入状态信息TEST AL，80H；检查READY是否为1JEPOLL；未READY=0，循环INAL，DATA_PORT；READY，从数据端口输入数据 这种CPU与外设的状态信息的交换方式，称为应答式，状态信息称为“联络”或“握手”(Handshake)信息。12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出2.查询式输出在输出时，CPU也必须了解外设的状态，看外设是否有空(即外设不正处在输出状态，或外设的数据寄存器是空的)，若有空，则CPU执行输出指令，否则就等待。其方框图如图7-12所示。12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出图7-1212/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出当输出设备把CPU要输出的数据输出以后，发出一个ACK(Acknowledge)信号，使D触发器置“0”，即使“Busy”线为0(Empty=Busy)。当CPU接收到这个状态信息后就执行输出指令。输出指令执行后，由地址信号和IO/M及WR相“与”后，发出选通信号，把在数据线上输出的数据送至锁存器。同时，令D触发器置“1”，它一方面通知外设输出数据已经准备好，可以执行输出操作；另一方面在数据由输出设备输出以前，一直为“1”，告诉CPU(CPU通过读状态端口而知道)外设“Busy”，阻止CPU输出新的数据。12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出接口电路的端口信息为：数据端口为8位或16位；状态信息为1位，查询式输出的程序流程图如图7-14所示。12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出查询部分的程序为：POLL:INAL，STATUS_PORT；从状态端口输入状态信息TEST AL，80H；检查BUSY位JNEPOLL；BUSY则循环等待MOV AL，STORE；否则，从缓冲区取数据OUTDATA_PORT，AL；从数据端口输出12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出3.一个采用查询方式的数据采集系统一个有8个模拟量输入的数据采集系统，用查询的方式与CPU传送信息，其电路如图7-15所示。图7-1512/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出 8个输入模拟量，经过多路开关它由端口4输出的3位二进制码(A2、A1、A0)控制(000相应于D0输入)，每次送出一个模拟量至A/D转换器；同时A/D转换器由端口4输出的D4位控制启动与停止。A/D转换器的READY信号由端口2的D0输送至CPU数据总线，经A/D转换后的数据由端口3传送至数据总线。12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出START:MOVDL，0F8H；设置启动A/D转换的信号LEADI，DSTOR；存放输入数据缓冲区的地址偏移量DIAGAIN：MOVAL，DLANDAL，0EFH；使D4=0OUT4，AL；停止A/D转换CALLDELAY；等待停止A/D操作的完成MOVAL，DL;D4=1OUT4，AL；启动A/D，且选择模拟量A0实现这样的数据采集过程的程序为：DELAY:RET12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出POLL：INAL，2；输入状态信息D0SHR AL，1JNC POLL；若未READY=0，程序循环等待INAL，3；否则，输入数据STOSB ；存至内存,AL存入DIINCDL；修改多路开关控制信号，指向下一个模拟量JNEAGAIN；8个模拟量未输入完，循环已完，执行别的程序段 12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出 在上述的查询传送方式中，CPU要不断地询问外设，当外设没有准备好时，CPU要等待，这样就浪费了CPU的时间。而且许多外设的速度是较低的，如键盘、打印机等，它们输入或输出一个数据的速度是很慢的。为了提高CPU的效率，可采用中断的传送方式。7.2.2 中断传送方式在中断传送方式时的接口电路，其方框图如图7-16所示。12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出当输入设备输入一数据，发出选通信号，把数据存入锁存器，又使D触发器置“1”，发出中断请求。若中断是开放的，CPU接受了中断请求信号后，在现行指令执行完后，暂停正在执行的程序，发出中断响应信号INTA，于是外设把一个中断矢量放到数据总线上。12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出7.2.3 直接数据通道传送(DMA)方式但是中断传送仍然是由CPU通过程序来传送的，每次要保护断点、保护现场需用多条指令，每条指令要有取指和执行时间。这对于一个高速I/O设备，以及成组交换数据的情况，例如磁盘与内存间的信息交换，就显得速度太慢了。12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出DMA控制器必须有以下功能：(1)能向CPU发出HOLD信号；(2)当CPU发出HLDA信号后，DMA控制器接管和控制总线，进入DMA方式；(3)发出地址信息，能对存储器寻址以及能修改地址指针；(4)能发出读或写等控制信号；(5)能决定传送的字节数，判断DMA传送是否结束；(6)发出DMA结束信号，使CPU恢复正常工作状态。12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出通常DMA的工作流程如图7-17所示。图7-1712/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出能实现上述操作的DMA控制器的硬件方框图如图7-18所示。图7-1812/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出DMA工作过程波形图如图7-19所示。图7-1912/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出Intel 8237的方框图如图7-21所示。图中的通道(4个)部分只画出了一个通道的情况。每个通道都有一个基地址寄存器(16位)，基字节数计数器(16位)，现行地址寄存器(16位)和现行字节数计数器(16位)，每一个通道都有一个模式寄存器以控制不同的工作模式，所以，8237的内部寄存器的类型和数量如表7-1所示。7.3.1 8237的结构7.3 DMA 控 制 器12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出图7-21P22612/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出8237在DMA传送时有四种工作模式。1.单字节传送模式这种模式是编程为一次只传送一个字节。若数据传送使字节数减为0，TC(Terminal Count)发生或者终结DMA传送。7.3.2 8237的工作模式2.块传送方式8237由DREQ启动就连续地传送数据，直至字节数计数器减到零产生TC，或者由外部输入有效的EOP信号来终结DMA传送。12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出3.请求传送方式8237可以进行连续的数据传送。当出现以下三种情况之一时停止传送：字节数计数器减到0，发生TC；由外界送来一个有效的EOP信号；外界的DREQ信号变为无效(外设的数据已传送完)。12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出4.级连方式这种方式用于通过级连以扩展通道。第二级的HRQ和HLDA信号连到第一级的DREQ和DACK上，如图7-23所示。图7-2312/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出 DMA读传送是把数据由存储器传送至外设，操作时由MEMR有效从存储器读出数据，IOW有效把数据传送给外设。DMA写传送是把由外设输入的数据写至存储器中。操作时由IOR信号有效从外设输入数据，由MEMW有效把数据写入内存。DMA传送的类型:DMA读，DMA写和校验。12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出1.现行地址寄存器 每一个通道有一个16位的现行地址寄存器。在这个寄存器中保持用于DMA传送的地址值，在每次传送后这个寄存器的值自动增量或减量。在传送过程中地址的中间值就保存在这个寄存器中。若编程为自动初始化，则在每次EOP后，初始化为它的初始值(即保存在基地址寄存器中的值)。7.3.6 8237的寄存器组和编程12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出2.现行字节数寄存器每个通道有一个16位的现行字节数寄存器，它保持着要传送的字节数，在每次传送后此寄存器减量。在传送过程中字节数的中间值保存在这个寄存器中。当这个寄存器的值减为零，TC将产生。这个寄存器的值在程序状态可由CPU读出和写入。12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出3.基地址和基字节数寄存器 每一个通道有一对16位的基地址和基字节数寄存器，它们存放着与现行寄存器相联系的初始值。在自动初始化情况下，这两个寄存器中的值用来恢复相应的现行寄存器中的初始值。在程序状态，基寄存器与它们相应的现行寄存器是同时由CPU写入的，这些寄存器的内容不能读出。12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出4.命令寄存器命令字的格式如图7-24所示。命令寄存器可由CPU写入进行编程，复位信号使其清零。图7-2412/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出8237有两种优先权方式可供选择，一种是固定优先权，通道0的优先权最高，通道3的优先权最低；另一种方式是优先权旋转，在这种方式下刚服务过的通道的优先权变为最低的，其他通道的优先权也作相应的旋转，如图7-25所示。图7-2512/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出5.模式寄存器每一个通道有一个模式寄存器以规定通道的工作模式，如图7-26所示。图7-2612/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出图7-276.请求寄存器8237的每个通道有一条硬件的DREQ请求线，当工作在数据块传送方式时也可以由软件发出DREQ请求。请求寄存器如图7-27所示。软件请求的位由TC或外部的EOP复位。RESET信号使整个寄存器的内容清除。12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出7.屏蔽寄存器8237中有一个屏蔽寄存器，如图7-28所示。当某一个通道进行DMA传送后，产生EOP信号，如果不是工作在自动初始化方式，则这一通道的屏蔽位置位，必须再次编程为允许，才能进行下一次的DMA传送。图7-2812/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出8.状态寄存器8237中有一个可由CPU读取的状态寄存器，如图7-29所示。图7-2912/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出9.临时寄存器在存储器到存储器的传送方式下，临时寄存器保存从源单元读出的数据，又由它写入目的单元。如上所述，8237内部寄存器可以分成两大类，一类是通道寄存器，即每个通道都有的现行地址寄存器、现行字节数寄存器和基地址及基字节数寄存器；另一类是控制和状态寄存器。这些寄存器是由最低4位地址A3A0以及读写命令来区分的。通道寄存器的寻址如表表7-2、表表7-3所示。12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出10.软件命令8237在编程状态还有两种软件命令：(1)清除高/低触发器8237内部的高/低触发器用以控制写入或读出16位寄存器的高字节还是低字节。如表7-2中所示，若触发器为零，则操作的为低字节；为“1”，则操作的为高字节。软件命令的格式如表表7-4所示。(2)主清除命令这个命令与硬件的RESET信号有相同的功能，即它使命令、状态、请求、临时寄存器以及内部的高/低触发器清零；使屏蔽寄存器各位全置为“1”(即屏蔽状态)；使8237进入空闲周期，以便进行编程。12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出11.8237的编程步骤(1)输出主清除命令；(2)写入基与现行地址寄存器；(3)写入基与现行字节数寄存器；(4)写入模式寄存器；(5)写入屏蔽寄存器；(6)写入命令寄存器；(7)写入请求寄存器。若有软件请求，就写入至指定通道，就可以开始DMA传送的过程；若无软件请求，则在完成了(1)(7)的编程后，由通道的DREQ启动DMA传送过程。12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出12.编程举例若要利用通道0，由外设(磁盘)输入32KB（8000H）的一个数据块，传送至内存8000H开始的区域(增量传送)，采用块连续传送的方式，传送完不自动初始化，外设的DREQ和DACK都为高电平有效。12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出按上述要求，可确定如下控制字：模式控制字84H 屏蔽字00H 命令字A0H初始化程序如下：分析：要编程首先要确定端口地址。地址的低4位用以区分8237的内部寄存器，高4位地址A7A4经译码后，连至选片端CS，假定选中时高4位为0101。12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出OUT 5DH，AL；输出主清除命令MOV AL，00HOUT50H，AL；输出基和现行地址的低8位MOV AL，80HOUT50H，AL；输出基和现行地址的高8位(8000H)MOV AL，00HOUT51H，ALMOV AL，80HOUT51H，AL；给基和现行字节数赋值(32kB=215B=8000H)12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出MOV AL，84HOUT5BH，AL；输出模式字MOV AL，00HOUT5AH，AL；输出屏蔽字MOV AL，0A0HOUT58H，AL；输出命令字 12/29/2022微机原理及应用第 7 章 输入和输出作业：7.10，7.11，7.24 12/29/2022