微机接口技术教学课件作者第三版王成端第4章节输入和输出及DMA技术课件

第4章,输入和输出及DMA技术,第4章 输入和输出及DMA技术,学习目标： 掌握CPU与外设传送数据的不同方式的特点及适用场合； 掌握DMA的基本概念、DMA传送数据的4种传送方式及传送过程； 理解8237A的引脚功能及内部结构； 掌握8237A的初始化方法及编程应用。,第4章 输入和输出及DMA技术,本章目录： 4.1 CPU与外设传送数据的方式 4.2 DMA技术概述 4.3 DMA控制器8237A 习题与思考题,4.1 CPU与外设传送数据的方式,4.1.1 无条件传送方式 4.1.2 程序查询方式 4.1.3 中断控制方式 4.1.4 DMA方式,返回上一级,4.1.1 无条件传送方式,无条件传送方式，又称同步传送方式。 在程序中执行相应的I/O指令 优点是软硬件十分简单,返回上一级,4.1.2 程序查询方式,程序查询方式，又称条件传送方式或异步传送方式。 CPU先查询外设的状态，若外设没有准备好，则CPU处于等待状态，若外设准备好时才执行I/O指令实现数据传送。 保证CPU与外设同步动作，缺点是传输速度慢，CPU工作效率低。在CPU不太忙且传送速度要求不高的场合下，可以采用。,返回上一级,4.1.3 中断传送方式,当外设准备好进行数据传输时，通过接口向CPU提出中断请求，CPU在满足响应中断的条件下，向接口发出中断响应（回答）信号，然后执行中断服务程序，完成一次数据传送。 使CPU与外设并行工作，实时处理，提高CPU的工作效率。 用于CPU的任务比较忙，传送速度不太高的场合，尤其是适合实时控制及紧急事件的处理。,返回上一级,4.1.4 DMA传送方式,由专用接口芯片DMA控制器来管理。 当外设需传送数据时，先通过DMAC向CPU提出总线请求，CPU收到请求并发出总线响应（回答）信号，然后CPU释放总线，由DMAC接管总线并控制数据的传送过程，传送完毕将总线控制权交还给CPU。 DMA传送方式适合高速大批量数据传送，但电路结构复杂，硬件开销较大。,返回上一级,4.2 DMA技术概述,DMA Direct Memory Access直接存储器存取，为高速IO设备与读写存储器之间进行批量数据交换提供直接的传输通道。 4.2.1 DMA基本概念 4.2.2 DMA控制器,返回上一级,4.2.1 DMA基本概念,DMA传送的几种方式： （1）单次DMA传送 每次DMA传送只传输数据一次，然后又把总线控制权还给CPU。 （2）成组传送 把全部要传送的数据分成若干组。成组传送的信号只能由DMA控制器中的计数器产生，计到零时，交回总线控制权。 （3）请求方式成组传送 有一点与成组传送不同，它要求在这一组数据传送过程中外设送来的DMA请求信号一直保持有效。 （4）级联方式传送 几个8237A可以级联，构成主从式DMA系统。,返回上一级,4.2.2 DMA控制器,具有DMA能力的单通道DMA控制器的编程结构和外部连线图,习惯上，将DMA控制器中和某个接口有联系的部分称为一个通道。这就是说，一个DMA控制器一般由几个通道组成,返回上一级,1. DMA传送的基本过程,(1)外设提出DMA传送请求，电平信号（DREQ）。 (2)DMA控制器响应请求,向CPU提出保持（HOLD）请求。 (3)CPU响应。在每个时钟上升沿都检测有无HOLD请求。CPU送出HLDA响应信号并释放总线。 (4)DMA控制器的操作 DMA控制器收到HLDA后，即开始对DMA的过程控制。向外设送出DACK作为对DMA请求的响应，同时也作为外设的数据选通。还向系统总线送出控制信号和地址信号，以选择合适的存储单元。在一次DMA结束后，控制器撤除HOLD信号，CPU也消除HLDA，并重新开始对总线的使用。,返回上一级,2. DMA控制器的功能,(1)能够响应外设的DMA请求，使CPU暂停工作，接管总线控制权。 (2)能够按节拍提供外设和存储器工作的各种信号。 (3)提供存储器地址。 (4)应是可编程的，使之能灵活运用。,返回上一级,4.3 DMA控制器8237A,Intel 8237A是可编程的高性能DMA控制器。8237A工作时钟为3MHZ，8237A-4为4MHZ，8237A-5为5MHZ。 4.3.1 8237A主要特性 4.3.2 8237A引脚及结构 4.3.3 8237A工作时序 4.3.4 8237A初始化编程 4.3.5 8237A应用举例,返回上一级,4.3.1 8237A主要特性,1有四个完全独立的DMA通道。 2能分别允许或禁止各通道的DMA请求，能对各通道的优先级进行排队。 3能对存储器块进行初始化。 4能进行存储器到存储器的数据传输。 5存储器的寻址范围为64KB，能在传送一个字节后地址自动加1或减1。 6对于时钟为5MHZ的8237A-5，其传输速率高达1.6MBps 7可以用级联的方法无限地扩展DMA通道数。 8设置有控制结束传送用的外接过程结束控制信号输入端。 9可以用软件设置DMA请求。 10DREQ和DACK信号的有效极性可以分别控制。,返回上一级,4.3.2 8237A引脚及结构,Intel 8237A采用40引脚双列直插封装，它允许DMA传输速度高达1.6M字节/秒。 DMA控制器一方面可以控制系统总线，这时称它为总线主模块，另一方面又可以和其他接口一样，接受CPU对它的读写操作，这时DMA控制器就成了总线从模块。,返回上一级,与DMA周期有关的引脚,CLK：时钟。控制8237A内部的逻辑动作和数据传输的速率。 READY：就绪输入信号。 DREQ0DREQ3，DACK0DACK3：DMA请求及响应信号。DMA请求信号是由外设输入的信号。这个输入信号的有效极性是可编程的，在芯片总清除后，它以高电平为有效。DACK则是控制器通知外设可以开始DMA传送的信号，信号有效的极性也是可以编程的，清除后，以低电平为有效。这是一对应答信号，DREQ必须保持到DACK有效值出现后才能撤除。 四个通道的DMA请求可以安排不同的优先级判定法，在固定方式下，DREQ0具有最高优先级。 HRQ，HLDA：保持请求和响应信号。这是8237A与CPU联系的一对应答信号。,返回上一级,与DMA周期有关的引脚,A0A7：低位地址。 DB0DB7：数据总线。在DMA周期中，作为高八位地址与数据的复用线。 ADSTB：地址选通信号。高电平有效，锁存DB0DB7上出现的地址信号。 AEN：地址使能信号。输出高有效，将锁存的高8位地址送入系统总线，与芯片此时输出的低8位地址组成16位存储器地址。 MEMR、MEMW：存储器读、写控制。 IOR、IOW：外设读、写控制。 EOP：过程结束信号。DMA传送过程结束，输出一个低有效脉冲。外部输入低脉冲信号，则终结DMA传送。,返回上一级,与CPU读写有关的信号,RESET：清除信号。 CS：片选信号。 A0A3：地址线。用来选择8237A内部有关寄存器的地址。 DB0DB7：数据线。是命令、状态、数据传送的通路。 IOR、IOW：外设读、写。,返回上一级,内部主要结构,地址和字数寄存器 工作方式寄存器 命令寄存器 DMA请求寄存器 屏蔽寄存器 状态寄存器 暂存寄存器,返回上一级,内部寄存器及地址,返回上一级,地址和字数寄存器,基地址寄存器、基字数寄存器、 现行地址寄存器和剩余字节寄存器。 基地址寄存器是由CPU用程序控制写入的，表示数据块在内存中存储的地址，这个值一旦写入，在整个传输进行过程中保持不变。 基字数寄存器中写入的是本次传输的数据块字节数，这个数也不会随DMA传输的进行而变化。,返回上一级,两个基本寄存器写入指定内容时，相应的当前地址寄存器也写入同样的内容。 在DMA传送过程中，每传送一个字节，这两个现行寄存器的内容就变化一次： 当前地址寄存器的变化方向由编程时的设置决定； 剩余字数寄存器则恒作减量计数，当减至0时，传输结束。如果这个通道被程序设置成自动初始化方式工作，当一次传输结束时，就会自动地把基本寄存器内容再次送入现行寄存器，以备下次DMA传送时使用。,返回上一级,工作方式寄存器,返回上一级,命令寄存器,返回上一级,DMA请求寄存器,8237A的每个通道都配备了一个DMA请求触发器，硬件DREQ线的有效电平会置位该触发器，表示有DMA请求。也可以用软件设置DMA请求，就是将请求字节写入请求寄存器。,返回上一级,屏蔽寄存器,每个通道有一个屏蔽触发器作为屏蔽标志位。 DMA的屏蔽标志位是通过往屏蔽寄存器写入屏蔽字节来设置的。 此外，8237A还允许使用综合屏蔽命令来设置通道的屏蔽触发器。,返回上一级,状态寄存器,可供CPU读取。其低4位反映在读命令这个瞬间各通道的字节计数器是否已减为0。若其中某位为1，则表示相应通道字节计数器减至0。高4位反映各通道的DMA请求情况，1为有请求。,返回上一级,暂存寄存器,在存储器到存储器传送方式时，暂存寄存器保存从源单元读出的数据，再由它写入目的单元。 完成传送时，其中保留传送的最后一个字节，该字节可由CPU读出，RESET之后使之复位。,返回上一级,8237A的软件命令,8237A还设计了专用的软件命令，以实现对8237A的编程控制。软件命令有三条： 主清除命令 清除先/后触发器命令 清屏蔽寄存器命令,返回上一级,主清除命令,主清除命令 可使命令、状态、请求、暂存寄存器以及先/后触发器都被复位，屏蔽寄存器被置位。然后，8237A处于空闲周期。 主清除命令的地址是0DH。只须对该端口执行写操作即可发出主清除命令。,返回上一级,清除先/后触发器命令,地址和字节数寄存器的字长是16位，且一个寄存器只规定了一个地址，而CPU读写的数据通道是8位，所以在芯片内设置一个先/后触发器由来保证读写高/低字节的次序。 当触发器为0时，读写低位字节，为1时则读写高位字节。触发器在每次读写这组寄存器后都翻转一次。 清除先/后触发器命令 即可使先/后触发器复位，该命令是对0CH地址进行一次写操作即可。 另外，硬件RESET信号和软件主清除命令也会使先/后触发器复位。,返回上一级,清屏蔽寄存器命令,清屏蔽寄存器命令的地址为0EH。执行这个命令将清除全部4个通道的屏蔽寄存器，使它们允许接收DMA请求,返回上一级,4.3.3 8237A工作时序,8237A控制器有两大类操作周期： 空闲周期是指8237A在复位后还没有编程，或者已经编程但还没有接到DMA请求时的情况。这个周期中，CPU可对8237A进行编程，也可从8237A中读出状态进行检查。 有效（DMA）周期指当DMA控制器接到CPU的HLDA响应信号后，8237A进行DMA传输的过程。每个周期总是由若干个状态周期组成。,返回上一级,8237A在DMA传送时的时序,返回上一级,4.3.4 8237A初始化编程,输出主清除命令，使8237A处于复位状态； 写入工作方式寄存器，以确定8237A工作方式和传送类型； 写入命令寄存器，以控制8237A的工作； 根据所选通道，输入相应通道当前地址寄存器和基地址寄存器的初始值； 输入当前字节计数器和基字节数寄存器的初始值； 写入屏蔽寄存器； 写入请求寄存器，便可由软件启动DMA传送。否则，经过以上六步编程后，由通道DREQ启动DMA传送的过程。,返回上一级,采用DMA传送方式, 从某外设传送1000H个字节的数据块到起始地址为2000H的内存区域中： OUT 0DH，AL ；主清除命令 MOV AL，85H ；选通道1，写传送，禁止自动预置 OUT 0BH，AL ；地址递增，块传送方式 MOV AL，00H ；外设至存储器，正常时序 ；固定优先级，滞后写 OUT 08H，AL ；DREQ高电平有效，DACK低电平有效 MOV AX，2000H ；地址初值，分两次写入 OUT 02H，AL ；先写低字节 MOV AL，AH OUT 02H，AL ；后写高字节 MOV AX，1000H ；字节数初值，分两次写入 OUT 03H，AL ；