微机原理及应用 教学课件 ppt 作者 胡钢 第六章

第六章 输入/输出,第一节 输入/输出的编址方式 第二节 CPU与外设之间的数据传送 第三节 中断 第四节 8086/8088的中断方式 第五节 中断控制器8259A,由I/O接口的典型结构可知，每一个I/O接口电路中都包含有一组寄存器，主机和外设进行数据传送时，各类信息（数据信息、控制信息和状态信息）在进入接口电路以后分别进入不同的寄存器，通常把接口电路中CPU可以访问的每一个寄存器或控制电路称为一个I/O端口。为便于CPU的访问，每一个I/O端口都被赋予一个地址，称为I/O端口地址。 在一个接口电路中可能含有多个I/O端口，其中用来接收CPU的数据或将外设数据送往CPU的端口称为数据端口；用来接收CPU发出的各种命令以控制接口和外设操作的端口称为控制端口；用来接收反映外设或接口本身工作状态的端口称为状态端口。 可见，CPU对外部设备的输入、输出操作实际上是通过接口电路中的I/O端口实现的，即输入、输出操作归结为对相应I/O端口的读/写操作。,第一节 输入/输出的编址方式,对一个具有双向工作（即可输入又可输出）的接口电路，通常有四个端口，即数据输入端口、数据输出端口、控制端口和状态端口，其中输出数据端口和控制端口是只写的，而数据输入端口和状态端口是只读的，实际中，系统为了节省地址空间，往往将数据输入、输出端口对应赋予同一端口地址，这样，当CPU利用该端口地址进行读操作时，实际是从数据输入端口读取数数据，而当进行写操作时，实际是向数据输出端口写入数据。同样，状态口和控制口也赋予同一端口地址。 为便于CPU对I/O端口的访问，每个端口有一个端口地址。那么，系统如何来给每个端口分配端口地址呢？这就是I/O端口的寻址方式，在微型计算机系统中，端口的编址通常有两种不同的方式，一是I/O端口与存储器单元统一编址；二是I/O端口独立编址。,统一编址方式也称为存储器映象I/O寻址方式。该寻址方式是将每一个I/O端口作为存储器的一个单元看待，即每一个端口占一个存储单元地址，即存储器和I/O共处统一的地址空间，系统设计时，划分一部分存储空间作为I/O地址空间。这时存储 器与I/O设备的唯一区别仅 是所占用的地址空间不同。 如图7-2所示。,图7-2 存储器统一编址方式,一、 存储器统一编址,一般指定I/O端口占用存储空间的高地址端，并选用地址最高位作为I/O寻址“标志”，例如，对于64K的存储空间，当A15为“1”时，高端的32K空间作为I/O端口地址空间；而当A15为0时，低端32K地址空间作为存储器地址空间。之所以选用地址最高位为I/O寻址标志，是因为对于地址最高位，软件较容易控制。将地址空间的一半划给I/O端口，实际中可能只用了极少的一部分，所以有时也可对部采用编一编址方式时，CPU对I/O设备的管理，是用访问内存的指令实现的。任何对存储器操作的指令都可用于对I/O端口的访问。这就大大增加了程序设计的灵活性，并使CPU对外设备的控制更方便。例如，可用传送指令MOV实现CPU内寄存器和I/O端口间进行数据传送，可以用逻辑指令（AND，OR，TEST）来控制I/O端口中一些位的状态。分高位地址进行译码，以确定具体的I/O空间。,在统一编址方式下，CPU是对存储器访问还是对I/O端口进行访问是通过地址总线的最高位状态（1或0）以及读、写控制信号决定的。实际上，不论对哪个空间进行访问，CPU均一视同仁地把它看成一个存储单元，是读出，还是写入由读、写控制信号决定，至于是访问哪个空间（I/O空间还是存储器单元），只要程序员编程时予以注意（给出合适地址）即可。 采用这种编址方式的典型微处理器有6800、6502、68000等，其优点是简化指令系统的设计，同时I/O控制信号与存储器的控制信号共用，给应用带来极大的方便，另外由于访问存储器的指令种类多、寻址方式多样化，对访问外设带来了很大的灵活性。对I/O设备可以使用功能强大且像访问存储器那样的指令，如直接对I/O数据进行运算等。统一编址的缺点是外设占用了一部分内存地址空间，减少了内存可用的地址范围，对内存容量有潜在的影响。此外，从指令上不易区分当前指令是对内存进行操作还是对外设进行操作。,所谓I/O端口独立编址(I/O Mapped)，也称为I/O隔离编址或I/O指令寻址方式，即I/O端口地址区域和存储器地址区域，分别各自独立编址。访问I/O端口使用专门的I/O指令，而访问内存则使用MOV、ADD等指令。CPU在寻址内存和外设时，使用不同的控制信号来区分当前是对内存操作还是对I/O操作。在单CPU模式时，当前的操作是由I/O信号的电平来区别的。对于8088CPU系统，当I/O为低电平时，表示当前执行的是存储器操作，地址总线上地址是某个存储单元地址；当I/O为高电平时，表示当前执行的是I/O操作，地址总线上地址是某个I/O端口的地址。在多CPU模式时，若访问存储器，则使MEMW或MEMR信号有效；而访问I/O端口时，则使或信号有效。,二、独立编址,外设地址空间和内存地址空间相互独立。如图7-3所示。,8086/8088的I/O端口采用独立编址方式，端口地址16位，能取216=64K个不同的I/O端口地址。任何两个连续的8位端口可作为一个16位端口，称为字端口。字端口类似于存储器的字地址。I/O地址空间不分段。 采用独立编址方式的特点是：I/O端口地址空间与存储器空间完全独立：CPU使用专门的信号来区分是对存储器访问还是对I/O端口进行访问。例如，在8086中，用M/IO（8088中用M/IO）信息来确定是对存储访问还是对I/O端口进行访问，当M/IO=1（高电平）时，表示CPU是对存储器进行访问（即进行读/写操作）当M/IO=0（低电平）时，表示CPU是对I/O端口进行访问。独立编址时，CPU对I/O端口的访问必须用专门的输入，输出指令（IN，OUT指令）来实现数据的传送，而输入/输出数据的通道则与存储器共享系统总线。一般在微机中，CPU是用地址总线的低位对I/O设备寻址，在8086中用地址总线的低16位来进行I/O寻址，可提供的I/O端口地址空间为64KB。,独立寻址和统一编址这两种I/O寻址方式各有其优缺点。 独立编址方式的优点是：由于采用和存储器独立的控制结构，所以I/O部分可以分开进行设计。其次，由于采用专门的I/O指令，对于I/O部分的编程和阅读I/O程序都较方便，而且I/O指令简单，需要的硬件控制电路简单，执行速度快。其缺点是I/O指令功能弱、类型单一，这给输入、输出带来不便。其次需要专设控制I/O读写的引脚信号（如M/IO）这会增加CPU的引脚数。,统一编址方式（即存储器映象方式）的优点是：由于内存访问指令也可用于访问I/O端口，而内存访问指令一般功能较强，可直接对输入、输出数据进行处理，这对改善程序效率，提高总的处理速度是有利的。其次，编一编址方式可使I/O接口得到较大的寻址空间，这对于如大型测控和数据通信系统是有利的。统一编址方式后，I/O部分的控制逻辑可以比较简单。统一编址的缺点是由于I/O端口占据一定内存可寻址空间，如果主机需要较大寻址空间时就不宜采用这种方式，当然在实际的微机系统中这种情况是不存在的，在系统设计时已协调好。其次由于访内指令一般均较长，比使用IN、OUT指令需要较长的执行时间。,计算机I/O接口电路与外部设备间交换的信号，通常有以下几种类型： 1、数据信息 CPU和外部设备交换的基本信息就是数据，数据通常为8位或16位。数据信息大致分为以下三种类型：数字量、模拟量和开关量。,一、CPU与I/O设备之间的信息传送,第二节 CPU与外设之间的数据传送,2.状态信息 状态信息反映了当前外设所处的工作状态，是外设通过接口送往CPU的。 3.控制信息 控制信息是CPU通过接口传送给外设的，CPU通过发送控制信息，控制外设的工作。,1.无条件传输方式 无条件传送方式是指CPU对外设接口的读写随时都可以进行，不需要等待某种条件的满足。无条件传送方式仅局限于外部控制过程的各种动作时间是固定且是已知的前提下，直接用IN或OUT指令与外设进行传送数据。,外部设备与微机之间的信息传送实际上是CPU与接口之间的信息传送。传送方式一般有四种：,二、 CPU与外设之间的数据传送的方式,2.程序查询传输方式 程序查询传送方式是指CPU在与外设传递数据前首先查询外设的状态(即条件)，若外设准备好才传送，若未准备好，CPU就等待。CPU要不断查询外设状态，占用大量CPU时间。,3.中断方式 为了提高CPU的效率和使系统具有实时性，可以采用中断传送方式。在中断传送方式下，外设具有申请CPU服务的主动权，当输入设备将数据准备好或输出设备可以接收数据时，外设就可以向CPU提出中断请求，使CPU暂时停下目前的工作而和外设进行一次数据传输。等输入操作和输出操作完成后，CPU继续进行原来的工作。,4.DMA方式 直接存储器存取方式DMA(Direct Memory Access)。外设请求数据传送时，经过DMA控制器发出总线请求信号，CPU响应后DMA控制器就控制了系统总线，送出存储器读写所需的地址和控制信号，送出外设读写所需的控制信号，从而实现外设和存储器之间的直接数据传送。,DMA的工作过程大致如下： (1) 当外设准备好，可以进行DMA传送时，外设向DMA控制器发出DMA传送请求信号(DRQ)。 (2) DMA控制器收到请求后，向CPU发出“总线请求”信号HOLD，申请占用总线。 (3) CPU在完成当前总线周期后会立即对HOLD信号进行响应。响应包括两个方面，一是CPU将数据总线、地址总线和相应的控制信号线均置为高阻态，由此放弃对总线的控制权。另一方面，CPU向DMA控制器发出“总线响应”信号(HLDA)。 (4) DMA控制器收到HLDA信号后，就开始控制总线，并向外设发出DMA响应信号DACK。,(6) DMA控制器自动修改地址和字节计数器，并据此判断是否需要重复传送操作。规定的数据传送完后，DMA控制器就撤消发往CPU的HOLD信号。CPU检测到HOLD失效后，紧接着撤消HLDA信号，并在下一时钟周期重新开始控制总线时，继续执行原来的程序。,DMA方式在传送路径和程序控制下数据传送的途径不同。程序控制下数据传送的途径必须经过CPU，而采用DMA方式传送数据不需要经过CPU。另外，程序控制下数据传送的源地址、目的地址是由CPU提供的，地址的修改和数据块长的控制也必须由CPU承担，数据传送的控制信号也是由CPU发出的。而DMA方式传送数据，则由DMA控制器提供源地址和目的地址，而且修改地址、控制传送操作的结束和发出传送控制信号也都由DMAC承担，即DMA传送数据方式是一种由硬件代替软件的方法，因而提高了数据传送的速度，缩短了数据传送的响应时间。因为DMA方式控制数据传送不需要CPU介入，即不利用CPU内部寄存器，因此，DMA方式不像中断方式控制下的数据传送，需要等一条指令执行结束才能进行中断响应，只要执行指令的某个机器周期结束，就可以响应DMA请求。,另外，DMA既然不利用CPU内部设备来控制数据传送，因此，响应DMA请求，进入DMA方式时就不必保护CPU的现场。采用中断控制的数据传送，进入中断服务(传送数据)之前，必须保护现场状态，这会大大延迟响应时间。因此，采用DMA控制数据传送的另一个优点是，缩短数据传送的响应时间。所以，一般要求响应时间在微秒以下的场合，通常采用DMA方式。当然用DMA控制传送也存在一些问题，因为采用这种方式传送数据时，DMAC取代CPU控制了系统总线，即CPU要把对总线的控制权让给DMAC。所以，当DMA控制总线时，CPU不能读取指令。另外，若系统使用的是动态存储器，而且是由CPU负责管理动态存储器的刷新，则在DMA操作期间，存储器的刷新将会停止。而且，当DMAC占用总线时，CPU不能去检测和响应来自系统中其他设备的中断请求。,DMA传送也存在以下两个额外开销源：第一个额外开销是总线访问时间，由于DMAC要同CPU和其他可能的总线主控设备争用对系统总线的控制权，