微機原理與接口技術(shù)-輸入和輸出

微機原理與接口技術(shù)概述七.一內(nèi)容導(dǎo)航CONTENTS七.二CPU與外設(shè)數(shù)據(jù)傳送地方式七.三斷系統(tǒng)一.四微型計算機地結(jié)構(gòu)六.四提高存儲器能地技術(shù)六.五微機主存空間分配七.一概述七.一.一輸入\輸出地尋址方式 CPU尋址外設(shè)可以有兩種方式。一．存儲器對應(yīng)輸入輸出方式在這種方式,把一個外設(shè)端口作為存儲器地一個單元來對待,故每一個外設(shè)端口占有存儲器地一個地址。從外部設(shè)備輸入一個數(shù)據(jù),作為一次存儲器讀地操作;而向外部設(shè)備輸出一個數(shù)據(jù),則作為一次存儲器寫地操作。二．端口尋址地輸入輸出方式在這種工作方式:CPU有專門地I/O指令,用地址來區(qū)分不同地外設(shè)。但要注意實際上是以端口（Port）作為地址地單元,因為一個外設(shè)不僅有數(shù)據(jù)寄存器還有狀態(tài)寄存器與控制命令寄存器,它們各需要一個端口才能加以區(qū)分,故一個外設(shè)往往需要數(shù)個端口地址。CPU用地址來選擇外設(shè)。七.一.二CPU與I/O設(shè)備之間地接口信息一．?dāng)?shù)據(jù)（Data）（一）數(shù)字量（二）模擬量（三）開關(guān)量二．狀態(tài)信息（Status）三．控制信息（Control）圖七-一CPU與I/O之間傳送地信息圖七-二CPU與外設(shè)之間地接口圖七-三I/O讀與寫周期時序七.一.三CPU地輸入輸出時序七.一.四CPU與接口電路間數(shù)據(jù)傳送地形式 CPU與外設(shè)地信息換稱為通信（munication）?；镜赝ㄐ欧绞接袃煞N:并行通信——數(shù)據(jù)地各位同時傳送;串行通信——數(shù)據(jù)一位一位順序傳送。如圖七-四所示。圖七-四并行通信與串行通信七.一.五可編程接口概念 在接口芯片,各硬件單元不是固定接死地,可由用戶在使用選擇,即通過計算機地命令來選擇不同地通道與不同地電路功能,稱為"編程控制"。接口電路地組態(tài)（即電路工作狀態(tài)）可由計算機指令來控制地接口芯片稱為"可編程接口芯片"。CEA七－A零芯片接口譯碼器圖七-五譯碼與片選 當(dāng)CPU與外設(shè)行信息（數(shù)據(jù),狀態(tài)信號與控制命令）傳送時,為了保證傳送地可靠與提高工作效率,有幾種不同地傳送方式。七.一CPU與外設(shè)數(shù)據(jù)傳送地方式七.二.一查詢傳送方式 CPU與I/O設(shè)備地工作往往是異步地,所以,通常程序控制地傳送方式在傳送之前,需要要查詢一下外設(shè)地狀態(tài),當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備就緒了才傳送;若未準(zhǔn)備好,則CPU等待。一．查詢式輸入圖七-六查詢式輸入地接口電路圖七-七查詢式輸入時地數(shù)據(jù)與狀態(tài)信息 當(dāng)輸入設(shè)備地數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好后,發(fā)出一個選通信號,一邊把數(shù)據(jù)送入鎖存器,一邊使D觸發(fā)器為"一",給出"準(zhǔn)備好"（Ready）地狀態(tài)信號。而數(shù)據(jù)與狀態(tài)需要由不同地端口輸入至CPU數(shù)據(jù)總線。當(dāng)CPU要由外設(shè)輸入信息時,先輸入狀態(tài)信息,檢查數(shù)據(jù)是否已準(zhǔn)備好,當(dāng)數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好后,才輸入數(shù)據(jù)。讀入數(shù)據(jù)地指令,使?fàn)顟B(tài)信息清"零"。查詢部分地程序如下:POLL:INAL,STATUS_PORT ;從狀態(tài)端口輸入狀態(tài)信息 TESTAL,八零H ;檢查READY是否為一 JEPOLL ;未READY,循環(huán) INAL,DATA_PORT ;READY,從數(shù)據(jù)端口輸入數(shù)據(jù)圖七-八查詢式輸入程序流程圖二．查詢式輸出圖七-九查詢式輸出接口電路 當(dāng)輸出設(shè)備把CPU要輸出地數(shù)據(jù)輸出后,發(fā)出一個ACK信號,使"Busy"線為零,當(dāng)CPU輸入這個狀態(tài)信息后,知道外設(shè)為"空",于是就執(zhí)行輸出指令。輸出指令執(zhí)行后,由地址信號與IO/M及WR相"與"后,發(fā)出選通信號,把在數(shù)據(jù)線上輸出地數(shù)據(jù)送至鎖存器,同時,令D觸發(fā)器置"一",一方面通知外設(shè)輸出數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好,另一方面在數(shù)據(jù)由輸出設(shè)備輸出以前,一直為"一",告知CPU（CPU通過讀狀態(tài)端口而知道）外設(shè)"Busy",阻止CPU輸出新地數(shù)據(jù)。查詢部分地程序為:POLL:INAL,STATUS_PORT ;從狀態(tài)端口輸入狀態(tài)信息 TESTAL,八零H ;檢查BUSY位 JNEPOLL ;BUSY則循環(huán)等待 MOVAL,STORE ;否則,從緩沖區(qū)取數(shù)據(jù) OUTDATA_PORT,AL ;從數(shù)據(jù)端口輸出圖七-一零查詢式輸出地端口信息圖七-一一查詢式輸出程序流程圖三．一個采用查詢方式地數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖七-一二查詢式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)這樣地數(shù)據(jù)采集過程地程序為:START:MOVDL,零F八H ;設(shè)置啟動A/D轉(zhuǎn)換地信號 LEADI,DSTOR;存放輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)地地址偏移量→DIAGAIN:MOV AL,DL AND AL,零EFH ;使D四=零 OUT[四],A ;停止A/D轉(zhuǎn)換 CALLDELAY ;等待停止A/D操作地完成 MOV AL,DL OUT [四],A ;啟動A/D,且選擇模擬量A零POLL:IN AL,[二] ;輸入狀態(tài)信息 SHR AL,一JNCPOLL ;若未READY,程序循環(huán)等待IN AL,[三] ;否則,輸入數(shù)據(jù)STOSB ;存至內(nèi)存INCDL ;修改多路開關(guān)控制信號,指向下一個模擬量JNEAGAIN ;八個模擬量未輸入完,循環(huán) … ;輸入完,執(zhí)行別地程序段七.二.二斷傳送方式圖七-一三斷傳送方式地接口電路七.二.三直接數(shù)據(jù)通道傳送（DMA） 用硬件在外設(shè)與內(nèi)存間直接行數(shù)據(jù)換（DMA）,而不通過CPU,這樣數(shù)據(jù)傳送地速度地上限就取決于存儲器地工作速度。在DMA方式時,由DMA控制器控制傳送地字節(jié)數(shù),判斷DMA是否結(jié)束,發(fā)出DMA結(jié)束等信號。這些都是由硬件實現(xiàn)地。 DMA控制器需要有以下功能。（一）能向CPU發(fā)出HOLD信號。（二）當(dāng)CPU發(fā)出HLDA信號后,開始對總線地控制,入DMA方式。（三）發(fā)出地址信息,能對存儲器尋址及能修改地址指針。（四）能發(fā)出讀或?qū)懙瓤刂菩盘枴＃ㄎ澹┠軟Q定傳送地字節(jié)數(shù),及判斷DMA傳送是否結(jié)束。（六）發(fā)出DMA結(jié)束信號,使CPU恢復(fù)正常工作狀態(tài)。 通常DMA地工作流程如圖七-一四所示。能實現(xiàn)上述操作地DMA控制器地硬件方框圖,如圖七-一五所示。圖七-一四DMA工作流程圖圖七-一五DMA控制器方框圖圖七-一六DMA工作過程波形圖圖七-一七DMA傳送地幾種形式一．DMA控制器地基本功能（一）能接收外設(shè)地請求,向CPU發(fā)出DMA請求信號。（二）當(dāng)CPU發(fā)出DMA響應(yīng)信號之后,接管對總線地控制,入DMA方式。（三）能尋址存儲器,即能輸出地址信息與修改地址。（四）能向存儲器與外設(shè)發(fā)出相應(yīng)地讀/寫控制信號。（五）能控制傳送地字節(jié)數(shù),判斷DMA傳送是否結(jié)束。（六）在DMA傳送結(jié)束以后,能結(jié)束DMA請求信號,釋放總線,使CPU恢復(fù)正常工作。二．DMA傳送方式（一）單字節(jié)方式（二）字節(jié)（字符）組方式七.三斷系統(tǒng)七.三.一斷與斷源 處理器在執(zhí)行程序時,被內(nèi)部或外部地打斷,轉(zhuǎn)去執(zhí)行一段預(yù)先安排好地斷服務(wù)程序;服務(wù)結(jié)束后,返回原來地斷點,繼續(xù)執(zhí)行原來地程序,這個過程稱為斷。有了斷功能,就可以使CPU與外設(shè)同時工作。CPU在啟動外設(shè)工作后,繼續(xù)執(zhí)行主程序,同時外設(shè)也在工作。當(dāng)外設(shè)把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后,發(fā)出斷申請,請求CPU暫時終止主程序,執(zhí)行輸入或輸出（斷處理）,處理完以后,CPU恢復(fù)執(zhí)行主程序,外設(shè)也繼續(xù)工作。而且有了斷功能,CPU可允許多個外設(shè)同時工作。這樣就大大提高了CPU地利用率,也提高了輸入,輸出地速度。七.三.二斷系統(tǒng)地功能 斷系統(tǒng)應(yīng)具有如下功能。（一）實現(xiàn)斷及返回（二）能實現(xiàn)優(yōu)先權(quán)排隊（三）高級斷源能斷低級地斷處理七.三.三最簡單地斷情況

一.CPU響應(yīng)斷地條件（一）設(shè)置斷請求觸發(fā)器 每一個斷源,要能發(fā)出斷請求信號,且這個信號能保持著,直至CPU響應(yīng)這個斷后,才可清除斷請求。圖七-一八設(shè)置斷請求地情況（二）設(shè)置斷屏蔽觸發(fā)器 在實際系統(tǒng),往往有多個斷源。為了增加控制地靈活,在每一個外設(shè)地接口電路,增加了一個斷屏蔽觸發(fā)器,只有當(dāng)此觸發(fā)器為"一"時,外設(shè)地斷請求才能被送至CPU,如圖七-一九所示。圖七-一九具有斷屏蔽地接口電路（三）斷是開放地 在CPU內(nèi)部有一個斷允許觸發(fā)器。只有當(dāng)其為"一"時（即斷開放時）,CPU才能響應(yīng)斷;若其為"零"（即斷是關(guān)閉地）,即使INTR線上有斷請求,CPU也不響應(yīng)。而這個觸發(fā)器地狀態(tài)可由STI與CLI指令來改變。當(dāng)CPU復(fù)位時,斷允許觸發(fā)器為"零",即關(guān)斷,所以需要要用STI指令來開斷。當(dāng)斷響應(yīng)后,CPU就自動關(guān)斷,所以在斷服務(wù)程序需要要用STI指令來開斷。（四）斷明確條件 CPU在現(xiàn)行指令結(jié)束后響應(yīng)斷,即運行到指令地最后一個機器周期地最后一個T狀態(tài)時,CPU才采樣INTR線。若發(fā)現(xiàn)有斷請求,則把內(nèi)部地斷鎖存器置"一",然后下一個機器周期（總線周期）不入取指周期,而入斷周期。其響應(yīng)地流程如圖七-二零所示。圖七-二零斷響應(yīng)流程圖二.CPU對斷地響應(yīng) 當(dāng)滿足上述條件后,CPU就響應(yīng)斷,轉(zhuǎn)入斷周期,CPU做以下幾種事。（一）關(guān)斷 八零八六在CPU響應(yīng)斷后,在發(fā)出斷響應(yīng)信號地同時,內(nèi)部自動地實現(xiàn)關(guān)斷。（二）保留斷點 CPU響應(yīng)斷,封鎖IP+一,且把IP與CS推入堆棧保留,以備斷處理完畢后,能返回主程序。（三）保護(hù)現(xiàn)場 為了使斷處理程序不影響主程序地運行,故要把斷點處地有關(guān)寄存器地內(nèi)容與標(biāo)志位地狀態(tài),推入堆棧保護(hù)起來。八零八六是由軟件（即在斷服務(wù)程序）把這些寄存器地內(nèi)容推入（利用PUSH指令）堆棧地。（四）給出斷入口,轉(zhuǎn)入相應(yīng)地斷服務(wù)程序 八零八六由斷源提供地斷向量形成斷入口地址（即斷服務(wù)程序地起始地址）。（五）恢復(fù)現(xiàn)場 把所保存地各個內(nèi)部寄存器地內(nèi)容與標(biāo)志位地狀態(tài),從堆棧彈出（利用POP指令）,送回CPU地原來位置。這個操作在八零八六也是由服務(wù)程序來完成地。

（六）開斷與返回 在斷服務(wù)程序地最后,要開斷（以便CPU能響應(yīng)新地斷請求）與安排一條斷返回指令,將堆棧內(nèi)保存地IP與CS值彈出,運行被恢復(fù)到主程序。 上述過程可用圖七-二一地流程圖表示。圖七-二一斷響應(yīng),服務(wù)及返回流程圖三.斷優(yōu)先權(quán) 當(dāng)有多個斷源同時請求時,CPU就要識別出是哪些斷源有斷請求,辨別與比較它們地優(yōu)先權(quán)（Priority）,先響應(yīng)優(yōu)先權(quán)級別最高地斷申請。另外,當(dāng)CPU正在處理斷時,也要能響應(yīng)更高級地斷申請,而暫時屏蔽同級或較低級地斷請求。 要判別與確定各個斷源地斷優(yōu)先權(quán),可以用軟件與硬件兩種方法。 八零八六有兩類斷:軟件斷——由指令地執(zhí)行所引起地斷;硬件斷——由外部（主要是外設(shè)）地請求所引起地斷。 一．外部斷 八零八六有兩條外部斷請求線:NMI——NonMaskableInterrupt（非屏蔽斷）與INTR（可屏蔽斷）。（一）可屏蔽斷（二）非屏蔽斷七.三.四八零八六地斷方式二．內(nèi)部斷 八零八六可以有幾種產(chǎn)生內(nèi)部斷地情況: （一）DIV或IDIV指令 （二）INT指令 （三）INTO指令 （四）單步執(zhí)行三.斷向量表 八零八六在內(nèi)存地前一KB（地址零零零零零H～零零三FFH）建立了一個斷向量表,可以容納二五六個斷向量（或二五六個斷類型）,每個斷向量占用四B。在這四B,包含著這個斷向量（或這種斷類型）地服務(wù)程序地入口地址——前二B為服務(wù)程序地IP,后二B為服務(wù)程序地CS。如圖七-二二所示。圖七-二五斷向量表四.八零八六地斷響應(yīng)與處理過程 八零八六在取得了類型碼后地處理順序為:（一）將類型碼乘四,作為斷向量表地指針;（二）把CPU地標(biāo)志寄存器入棧,保護(hù)各個標(biāo)志位,此操作類似于PUSHF指令;（三）復(fù)制追蹤標(biāo)志TF地狀態(tài),接著清除IF與TF標(biāo)志,屏蔽新地INTR斷與單步斷;（四）保存主程序地斷點,即把主程序斷點處地IP與CS值推入堆棧保護(hù),先推入CS值,再推入IP值;（五）從斷向量表取斷服務(wù)程序地入口地址,分別送至CS與IP,先取CS值;（六）按新地址執(zhí)行斷服務(wù)程序。 Intel八二五九A是與八零八六系列兼容地可編程地斷控制器。它地主要功能為。（一）具有八級優(yōu)先權(quán)控制,通過級連可擴展至六四級優(yōu)先權(quán)控制。（二）每一級斷都可以屏蔽或允許。（三）在斷響應(yīng)周期,八二五九A可提供相應(yīng)地斷向量,從而能迅速地轉(zhuǎn)至斷服務(wù)程序。（四）八二五九A有幾種工作方式,可以通過編程來行選擇。七.三.六斷控制器八二五九A一.結(jié)構(gòu)圖七-二六八零八六地斷響應(yīng)與處理流程圖二.八二五九A地引線圖七-二八八二五九A地引線圖七-二九八二五九A與標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)總線地連接三.八二五九A地工作方式（一）查詢方式（二）斷屏蔽（三）緩沖模式（四）斷嵌套模式（五）斷優(yōu)先權(quán)旋轉(zhuǎn)（六）斷結(jié)束命令（七）讀八二五九A地狀態(tài)四．八二五九A地級連圖七-三零八二五九A地級連（一）八二五九A在IBM—PC/XT地應(yīng)用 在IBM—PC/XT微型計算機只有一片八二五九A,可連接八個外部斷源,其連接方法,斷源名稱,斷類型碼及斷服務(wù)程序入口地