第 8 章输入和输出

第8章输入和输出 8.1 概述 8.2 CPU与外设数据传送的方式 8.3 DMA控制器退出

8.1 概述 8.1.1 输入输出的寻址方式 CPU寻址外设可以有两种方式。 1．存储器对应输入输出方式在这种方式中，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。

这种方式的优点是： （1）CPU对外设的操作可使用全部的存储器操作指令，故指令多，使用方便。如可以对外设中的数据（存于外设的寄存器中）进行算术和逻辑运算，进行循环或移位等。（2）内存和外设的地址分布图是同一个。（3）不需要专门的输入输出指令以及区分是存储器还是I/O操作的控制信号。缺点是：外设占用了内存单元，使内存容量减小。

2．端口寻址的输入输出方式 在这种工作方式中：CPU有专门的I/O指令，用地址来区分不同的外设。但要注意实际上是以端口（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数个端口地址。CPU用地址来选择外设。要寻址的外设的端口地址，显然比内存单元的地址要少得多。所以，在用直接寻址方式寻址外设时，它的地址字节，通常总要比寻址内存单元的地址少一个字节，因而节省了指令的存储空间，缩短了指令的执行时间。

8.1.2 CPU与I/O设备之间的接口信息 1．数据（Data）在微型机中，数据通常为8位、16位或32位。它大致可以分为三种基本类型：（1）数字量（2）模拟量（3）开关量 2．状态信息（Status）在输入时，有输入设备是否准备好（Ready）的状态信息；在输出时，有输出设备是否有空（Empty）的状态信息，若输出设备正在输出，则以忙（Busy）指示等等。

3．控制信息（Control） 控制输入输出设备启动或停止等等。状态信息和控制信息与数据是不同性质的信息，必须要分别传送。但在大部分微型机中（8086也如此），只有通用的IN和OUT指令，因此，外设的状态也必须作为一种数据输入；而CPU的控制命令也必须作为一种数据输出。所以，一个外设往往要几个端口地址，CPU寻址的是端口，而不是笼统的外设。

8.1.3 CPU的输入输出时序 通常I/O接口电路的工作速度较慢，往往要插入等待状态。 8.1.4 CPU与接口电路间数据传送的形式 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——数据的各位同时传送；  串行通信——数据一位一位顺序传送。

8.2 CPU与外设数据传送的方式 8.2.1 查询传送方式 CPU与I/O设备的工作往往是异步的，很难保证当CPU执行输入操作时，外设已把要输入的信息准备好了；而当CPU执行输出时，外设的寄存器（用于存放CPU输出数据的寄存器）一定是空的。所以，通常程序控制的传送方式在传送之前，必须要查询一下外设的状态，当外设准备就绪了才传送；若未准备好，则CPU等待。

1．查询式输入 在输入时，CPU必须了解外设的状态，看外设是否准备好。当输入设备的数据已准备好后，发出一个选通信号，一边把数据送入锁存器，一边使D触发器为“1”，给出“准备好”Ready的状态信号。而数据与状态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，检查数据是否已准备好，当数据已经准备好后，才输入数据。读入数据的指令，使状态信息清“0”。这种查询输入方式的程序流程图，如图8-11所示。

2．查询式输出 同样的，在输出时CPU也必须了解外设的状态，看外设是否有空（即外设不是正处在输出状态，或外设的数据寄存器是空的，可以接收CPU输出的信息），若有空，则CPU执行输出指令，否则就等待。查询式输出的程序流程图如图8-14所示。

8.2.2 中断传送方式 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，不能进行别的操作，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、打印机等等，它们输入或输出一个数据的速度是很慢的，在这个过程中，CPU可以执行大量的指令。为了提高CPU的效率，可采用中断的传送方式：在输入时，若外设的输入数据已存入寄存器；在输出时，若外设已把上一个数据输出，输出寄存器已空，由外设向CPU 发出中断请求，CPU就暂停原执行的程序（即实现中断），转去执行输入或输出操作（中断服务），待输入输出操作完成后即返回，CPU再继续执行原来的程序。这样就可以大大提高CPU的效率，而且允许CPU与外设（甚至多个外设）同时工作。

8.2.3 直接数据通道传送（DMA） 中断传送仍是由CPU通过程序来传送，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。

所以希望用硬件在外设与内存间直接进行数据交换（DMA），而不通过CPU，这样数据传送的速度的上限就取决于存储器的工作速度。但是，通常系统的地址和数据总线以及一些控制信号线（例如IO/、、等）是由CPU管理的。在DMA方式时，就希望CPU把这些总线让出来（即CPU连到这些总线上的线处于第三态——高阻状态），而由DMA控制器接管，控制传送的字节数，判断DMA是否结束，以及发出DMA结束等信号。这些都是由硬件实现的。所以希望用硬件在外设与内存间直接进行数据交换（DMA），而不通过CPU，这样数据传送的速度的上限就取决于存储器的工作速度。但是，通常系统的地址和数据总线以及一些控制信号线（例如IO/、、等）是由CPU管理的。在DMA方式时，就希望CPU把这些总线让出来（即CPU连到这些总线上的线处于第三态——高阻状态），而由DMA控制器接管，控制传送的字节数，判断DMA是否结束，以及发出DMA结束等信号。这些都是由硬件实现的。

1．DMA控制器的基本功能 DMAC是控制存储器和外部设备之间直接高速地传送数据的硬件电路，它应能取代CPU，用硬件完成图8-17所示的各项功能。具体地说应具有如下功能：（1）能接收外设的请求，向CPU发出DMA请求信号。（2）当CPU发出DMA响应信号之后，接管对总线的控制，进入DMA方式。

（3）能寻址存储器，即能输出地址信息和修改地址。（3）能寻址存储器，即能输出地址信息和修改地址。（4）能向存储器和外设发出相应的读/写控制信号。（5）能控制传送的字节数，判断DMA传送是否结束。（6）在DMA传送结束以后，能结束DMA请求信号，释放总线，使CPU恢复正常工作。

2．DMA传送方式 各种DMAC一般都有两种基本的DMA传送方式：（1）单字节方式：每次DMA请求只传送一个字节数据，每传送完一个字节，都撤除DMA请求信号，释放总线。（2）字节（字符）组方式：每次DMA请求连续传送一个数据块，待规定长度的数据块传送完了以后，才撤除DMA请求，释放总线。

8.3 DMA控制器 8237的工作周期 8237在设计时规定它有两种主要的工作周期（或工作状态），即空闲周期和有效周期。每一个周期又是由若干个时钟周期所组成的。

8237的工作方式 8237在DMA传送时有四种工作方式。 1．单字节传送方式这种方式一次只传送一个字节。数据传送后字节计数器减量，地址要相应修改（增量或减量取决于编程）。HRQ变为无效，释放系统总线。若传送使字节数减为0，TC发生或者终结DMA传送，或重新初始化。

2．块传送方式 在这种传送方式下，8237由DREQ启动后就连续地传送数据，直至字节数计数器减到零产生TC（Terminal Count），或者由外部输入有效的信号来终结DMA传送。

3．请求传送方式 在这种工作方式下，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。（1）字节数计数器减到0，发生TC；（2）由外界送来一个有效的信号；（3）外界的DREQ信号变为无效（外设的数据已传送完）。

4．级连方式 这种方式用于通过级连以扩展通道的情况。第二级的HRQ和HLDA信号连到第一级的DREQ和DACK上。在前三种工作方式下，DMA传送有三种类型：DMA读、写和校验。

8237的寄存器组和编程 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。在这个寄存器中保存着用于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。这个寄存器的值可由CPU写入或读出（分两次连续操作）。 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。当这个寄存器的值减为零时，TC将产生。这个寄存器的值在编程状态可由CPU读出和写入。

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。 4．命令寄存器这是一个8位寄存器，用以控制8237的工作。命令字的格式如图8-24所示。

5．模式寄存器 每一个通道有一个6位的模式寄存器以规定通道的工作模式，如图8-26所示。在编程时用最低两位来选择写入哪个通道的模式寄存器。

6．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。所以，在8237中有一种请求寄存器，如图8-27所示。每个通道的软件请求可以分别设置。软件请求是非屏蔽的，它们的优先权同样受优先权逻辑的控制。

7．屏蔽寄存器 每个通道外设通过DREQ线发出的请求，可以单独地屏蔽或允许，所以在8237中有一个屏蔽寄存器，如图8-28所示。

8．状态寄存器 8237中有一个可由CPU读取的状态寄存器，如图8-29所示。

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，又由它写入至目的单元。在传送完成时，它保留传送的最后一个字节，此字节可由CPU读出。 10．软件命令 8237在编程状态还有两种软件命令，软件命令不需要通过数据总线写入控制字，而由8237直接对地址和控制信号进行译码。（1）清除高/低触发器（2）主清除命令

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，就写入指定通道，可以开始DMA传送的过程。若无软件请求，则在完成了（1）～（6）的编程后，由通道的DREQ启动DMA传送过程。

第 8 章 输入和输出