第六章 输入输出及DMA控制器
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第六章 输入/输出及DMA控制器 本章重点: 端口的编址;
CPU与外设交换信息的四种控制方式;
本章难点：
微处理器与I/O设备数据传送的几种方式；
第六章 输入/输出及DMA控制器
第六章 输入/输出及DMA控制器
6.1、接口的基本概念
什么是接口 接口指CPU和外设之间通过系统总线进行连接的电
路部分，是CPU与外界进行信息交换的中转站。
解：CPU预先向A/D转换器发启动信号，A/D转换器转换结束后 会自动给出就绪信号，这时CPU读取数据。
A/D转换程序如下： START： MOV AL ， 10H OUT 04H ， AL LOOP1： IN AL ， 02H TEST AL ， 80H JZ LOOP1 IN AL ， 03H MOV STORE ， AL HLT
接口牵涉两个方面的内容:
1.物理上的连接;
2.程序设计;
CPU
接口 电路
I/O 设备
为Байду номын сангаас么要用接口电路
1. 外部设备的多样性。 2.低速的外围设备和高速的CPU之间的矛盾。
3.总线属于共享资源。
它们不能与CPU直接相连,必须经过中间电路再与系 统连接，这部分电路被称为I/O接口电路。
I/O接口的基本功能：
2).
端口与存储器分别独立编址
端口操作指令及对端口的两种寻址方式:
port 为端口地址（直接寻址）, 大小为0~255 或0~FFH
例：
port为端口地址（直接寻址）, 大小为0~255 或0~FFH
6.2.2 1、译码电路的作用
将CPU执行IN/OUT指令发出的地址信号,“翻译” 成欲操作端口的选通信号，解决存储器、I/O设 备与CPU连接时地址总线失配问题。此信号常 作为接口内三态门或锁存器的控制信号，接通 或断开接口数据线与系统的连接。
在传送前，查询一下外设的状态，当外设准备好了以后才传送， 控制线 否则，等待。 （1） 查询式输入
I/O
数据口
Poll: In al, S_port Test al, 80h Jz poll In al, D _port 数据端口 D7 D6
8位
状态口
D0
状态端口 D7
控制线
1位
（1） 查询式输出
6.3.2
中断控制方式
●借助于CPU响应外中断请求的能力，实现输入输出 的控制，可以简称为程序中断式输入输出。 首先，外部设备要有接口逻辑，能把外部设备的状态 信息变成中断请求信号，加入CPU的中断请求输入端。 例如，对于输入设备，可把“数据准备好”状态变换成 中断请求信号；对于输出设备，可以把“设备已空闲” 状态变换成中断请求信号。然后，CPU接受（响应） 中断请求，转入中断处理程序（即中断服务程序）， 输入输出数据的传送是在中断处理程序中用输入输出 指令实现的。
方法，这三种方法很好地解决了CPU与各类外设之
间进行数据传送时的同步问题和速度问题。为了进 一步提高数据传送效率减轻CPU的负担又提出了第 四种方法(IOP方式)。 1.程序控制方式 程序控制方式就是完全通过执行程序来控制实现CPU
与外部设备之间的数据交换。这种方法又分以下两种：
①无条件传送控制方式
数据口
控制线
I/O
控制线
Poll: In al, S_port Test al, 80h Jnz poll mov al, store Out D_port, al
状态口
查询法程序结构
优点：接口电路简单，硬件成本低。 缺点：
①为了测试和等待外部设备做好传送数据的准备， 常常要花费大量的时间，在这段时间内，程序不能 完成其它任务，所以系统的时间利用率大大降低。
XIOW
Y1
Y2 Y3
XA8 XA9 XAEN
G2B G2A G1
Y4
Y5
2.SWITCH 可选取地址译码
6.2.3 IBM PC/XT的端口地址按排
0000 001F 0020 003F 0040 005F 0060 007F 0080 32字节 32字节 0000～000F 8237A—5 DMA控制器 0020～0021 0040～0043 0060～0063 8259A 中断控制器
1. 直接地址译码
IBM PC/XT I/O 端口地址译码方法
74LS138
XA5 XA6 XA7 A B C Y0 DMA CS（8237） INTR CS（8259） T/C CS（8253） PPI CS（8255） WRTDMAPG （写DMA页面寄存器） WRTNMIREG （写NMI屏蔽寄存器） Y6 Y7
6.3.4 I/O处理器控制方式 如前所述，中断方式输入输出仍然是一种 程序控制方式，DMA传送方式只能实现比较 单纯的数据传送，在大型计算机系统与高 档微机中，外设数量多，传输速度快，I/O 操作频繁，为了进一步减轻CPU的负担，提 高整体性能，采用了I/O处理器（IOP）控 制方式来实现外设数据的I/O传送，IOP处 理技术也称之为通道技术，IOP也被称之为 “通道” 具有I/O处理器的计算机系统如图6-15 所示
②CPU在一段时间里只能和一个外部设备之间传送 数据，其它设备只能等待。 ③不能发现和处理预先无法估计的错误和异常现 象。所以这种输入输出方式只适用于CPU数据处理 任务不繁忙，而且外部设备数较少的情况。
例6-1 一个A/D转换器，用查询方式与CPU传送数据，如图所示。 编写查询方式数据传送程序。
6.2 输入/输出寻址方式
1.端口的两种编址方式
1).端口与存储器统一编址
例Motorola的M6800系列、Intel 51单片机系列
特点:������ I/O端口相当于内存的一部分,使内存 容量减小;������ 对I/O端口的读/写与对 存储器的读/写相同，所有可对内存操 作的指令对I/O端口均可使用;������ 指 令系统中不专设I/O指令。
图6-15 具有I/O处理器的计算机系统
1. 信号电平的转换；
2. 信号类型的转换;
3. 数据传送方式的转换；
4. 数据寄存和缓冲；
5. 寻址功能; 6. 对外设的控制与检测； 7. 中断控制; （注：并不是所有的接口都具备上述所有的功能）
接口的分类： 由于接口的复杂性，接口芯片的种类也很多：
按通用程度：通用接口和专用接口； 按数据传送方式分：串行接口，并行接口； 按信号的类型分：模拟接口，数字接口；
中断控制方式基本电路
5
1 2
4
3
程序中断控制方法的特点：
①虽然程序中断功能参与了控制，但数据的传送仍然要靠在程 序中排入I/O指令完成。这一点和程序直接控制输入输出方式 是相同的。
②为保证可靠地进行数据输入输出传送，需要外部设备形成的 “已做好传送数据准备”的状态信息，不是用指令输入来测试的， 而是从CPU的中断请求输入端直接加入的。正是由于CPU具有响 应外部中断请求的能力，避免了用指令查询外部设备状态造成 的大量时间浪费，从而使系统的时间利用率大大提高了。 ③中断控制输入输出是靠硬件和软件相配合实现的。与程序直 接控制输入输出相比较，中断控制输入输出大大提高了CPU的 时间利用率，这是这种输入输出方式的主要优点。但它实现起 来相对复杂。
02F8～02FF 0300～031F 0320～032F
0330～0377 0378～037F
0380～038F 0390～03AF 03B0～03BF
03C0～03CF 03D0～03DF 03E0～03EF 03FF 03F0～03F7 03F8～03FF
6.3、CPU与外设数据传送的方式 在微型计算机系统中，一般有三种基本的输入输出
6.3.3 存储器直接存取方式
●存储器直接存取DMA（Direct Memory Access） 方式的基本思想是在外部设备和存储器之间开辟 直接的数据传送通路，数据传送不是靠执行I/O 指令，数据不经过CPU内的任何寄存器，也就不 破坏任何寄存器原来的内容，而是在存储器和外 部设备之间的通路上直接传送数据。这种I/O方 式的实现主要是靠硬件（DMA控制器）实现的。
32字节
32字节 32字节 32字节
8253A—5 定时/计数器
8255A—5 并行接口芯片 DMA 页面寄存器 屏蔽寄存器
0080～0083
009F 00A0
00BF 0080
00A0～00BF NMI
01FF
320字节
0200
0200～020F 0210～0217 0218～02F7
游戏控制口 扩展部件 未用 异步通信卡（第二个） 实验卡 硬盘适配器 未用 并行打印机 SPLC通信 未用 单色显示器 / 打印机 未用 彩色/ 图形显示卡 未用 软盘适配器 异步通信卡（第一个）
不同的接口电路,功能侧重点的不同，但最终的目的 是为了保证数据的可靠传送。
接口电路中的信息:
1、数据信息 数字量 模拟量 开关量 2、控制信息 3、状态信息 这三类信息是不同性质的信息，但在CPU与外设 交换信息时，只能通过数据总线来传送，为了分 辨出这些信息，这三类信息保存在各自的寄存器 中，每个寄存器称为一个端口。
②条件传送控制方式
无条件传送方式又称同步方式，即CPU的动作必须与外设 同步，否则，传送数据出错。 ������ 当CPU任何时刻用IN指令从数据输入端口读取输入设备 数据时，输入设备总有一组有效数据让CPU读走（即输入设 备常处于数据准备好状态，如开关设备）。这样的设备与 CPU传送数据通常采用无条件输入方法。输入设备与系统总 线之间的接口电路中只包含一个数据输入端口。 ������ 当CPU任何时刻用OUT指令通过数据输出端口向输出设备输 出数据时，输出设备总处于接收数据准备好状态（如LED设 备）。这样的设备与CPU传送数据通常采用无条件输出方法。 输出设备与系统总线之间的接口电路中只包含一个数据输出 端口。
DMA传送的基本原理:
存储器直接存取方式的特点：
优点：由于在数据传送时没有程序和指令介入，CPU只是暂停 一个或几个总线周期的时间，CPU内各寄存器的内容没有任何 改变，所以CPU的时间利用率比前两种I/O方式大大提高。这 种I/O方式最适合于高速外部设备与存储器之间交换成批数据 的情况。例如，磁盘与存储器之间的数据传送一般利用这种方 式。 缺点：说没有程序和指令介入仅仅是数据传送期间，并不意味 着DMA输入输出的全过程都没有程序介入。恰恰相反，数据传 送前的准备工作，例如传送涉及的存储区的开始地址，要传送 的字节数等参数，都是用程序预置于DMA控制器中的。 这就是说，DMA的I/O的实现更加复杂，不仅要有DMA传送数据的 控制机构，还要有程序直接控制的输入输出方式或中断控制输 入输入方式的硬件和软件支持DMA的实现。
例 一个输入设备的简单接口电路
例 一个输出设备的简单接口电路
②查询法输入输出方法
对有些设备，CPU能否与其之间传送数据，与设备 的状态有关。如A/D转换器与CPU之间的数据传送， CPU要读取A/D转换后的数字量信号，必须查询A/D
转换器是否转换结束，只有转换结束后，才能读
取转换结果。又如CPU向打印机输出数据前，必须 查询打印机是否处于接收准备好状态。这样一些 设备与CPU之间数据传送时，常采用查询法。其接 口方法如下图所示。
CPU与外设交换信息的四种控制方式;
本章难点：
微处理器与I/O设备数据传送的几种方式；
第六章 输入/输出及DMA控制器
第六章 输入/输出及DMA控制器
6.1、接口的基本概念
什么是接口 接口指CPU和外设之间通过系统总线进行连接的电
路部分，是CPU与外界进行信息交换的中转站。
解：CPU预先向A/D转换器发启动信号，A/D转换器转换结束后 会自动给出就绪信号，这时CPU读取数据。
A/D转换程序如下： START： MOV AL ， 10H OUT 04H ， AL LOOP1： IN AL ， 02H TEST AL ， 80H JZ LOOP1 IN AL ， 03H MOV STORE ， AL HLT
接口牵涉两个方面的内容:
1.物理上的连接;
2.程序设计;
CPU
接口 电路
I/O 设备
为Байду номын сангаас么要用接口电路
1. 外部设备的多样性。 2.低速的外围设备和高速的CPU之间的矛盾。
3.总线属于共享资源。
它们不能与CPU直接相连,必须经过中间电路再与系 统连接，这部分电路被称为I/O接口电路。
I/O接口的基本功能：
2).
端口与存储器分别独立编址
端口操作指令及对端口的两种寻址方式:
port 为端口地址（直接寻址）, 大小为0~255 或0~FFH
例：
port为端口地址（直接寻址）, 大小为0~255 或0~FFH
6.2.2 1、译码电路的作用
将CPU执行IN/OUT指令发出的地址信号,“翻译” 成欲操作端口的选通信号，解决存储器、I/O设 备与CPU连接时地址总线失配问题。此信号常 作为接口内三态门或锁存器的控制信号，接通 或断开接口数据线与系统的连接。
在传送前，查询一下外设的状态，当外设准备好了以后才传送， 控制线 否则，等待。 （1） 查询式输入
I/O
数据口
Poll: In al, S_port Test al, 80h Jz poll In al, D _port 数据端口 D7 D6
8位
状态口
D0
状态端口 D7
控制线
1位
（1） 查询式输出
6.3.2
中断控制方式
●借助于CPU响应外中断请求的能力，实现输入输出 的控制，可以简称为程序中断式输入输出。 首先，外部设备要有接口逻辑，能把外部设备的状态 信息变成中断请求信号，加入CPU的中断请求输入端。 例如，对于输入设备，可把“数据准备好”状态变换成 中断请求信号；对于输出设备，可以把“设备已空闲” 状态变换成中断请求信号。然后，CPU接受（响应） 中断请求，转入中断处理程序（即中断服务程序）， 输入输出数据的传送是在中断处理程序中用输入输出 指令实现的。
方法，这三种方法很好地解决了CPU与各类外设之
间进行数据传送时的同步问题和速度问题。为了进 一步提高数据传送效率减轻CPU的负担又提出了第 四种方法(IOP方式)。 1.程序控制方式 程序控制方式就是完全通过执行程序来控制实现CPU
与外部设备之间的数据交换。这种方法又分以下两种：
①无条件传送控制方式
数据口
控制线
I/O
控制线
Poll: In al, S_port Test al, 80h Jnz poll mov al, store Out D_port, al
状态口
查询法程序结构
优点：接口电路简单，硬件成本低。 缺点：
①为了测试和等待外部设备做好传送数据的准备， 常常要花费大量的时间，在这段时间内，程序不能 完成其它任务，所以系统的时间利用率大大降低。
XIOW
Y1
Y2 Y3
XA8 XA9 XAEN
G2B G2A G1
Y4
Y5
2.SWITCH 可选取地址译码
6.2.3 IBM PC/XT的端口地址按排
0000 001F 0020 003F 0040 005F 0060 007F 0080 32字节 32字节 0000～000F 8237A—5 DMA控制器 0020～0021 0040～0043 0060～0063 8259A 中断控制器
1. 直接地址译码
IBM PC/XT I/O 端口地址译码方法
74LS138
XA5 XA6 XA7 A B C Y0 DMA CS（8237） INTR CS（8259） T/C CS（8253） PPI CS（8255） WRTDMAPG （写DMA页面寄存器） WRTNMIREG （写NMI屏蔽寄存器） Y6 Y7
6.3.4 I/O处理器控制方式 如前所述，中断方式输入输出仍然是一种 程序控制方式，DMA传送方式只能实现比较 单纯的数据传送，在大型计算机系统与高 档微机中，外设数量多，传输速度快，I/O 操作频繁，为了进一步减轻CPU的负担，提 高整体性能，采用了I/O处理器（IOP）控 制方式来实现外设数据的I/O传送，IOP处 理技术也称之为通道技术，IOP也被称之为 “通道” 具有I/O处理器的计算机系统如图6-15 所示
②CPU在一段时间里只能和一个外部设备之间传送 数据，其它设备只能等待。 ③不能发现和处理预先无法估计的错误和异常现 象。所以这种输入输出方式只适用于CPU数据处理 任务不繁忙，而且外部设备数较少的情况。
例6-1 一个A/D转换器，用查询方式与CPU传送数据，如图所示。 编写查询方式数据传送程序。
6.2 输入/输出寻址方式
1.端口的两种编址方式
1).端口与存储器统一编址
例Motorola的M6800系列、Intel 51单片机系列
特点:������ I/O端口相当于内存的一部分,使内存 容量减小;������ 对I/O端口的读/写与对 存储器的读/写相同，所有可对内存操 作的指令对I/O端口均可使用;������ 指 令系统中不专设I/O指令。
图6-15 具有I/O处理器的计算机系统
1. 信号电平的转换；
2. 信号类型的转换;
3. 数据传送方式的转换；
4. 数据寄存和缓冲；
5. 寻址功能; 6. 对外设的控制与检测； 7. 中断控制; （注：并不是所有的接口都具备上述所有的功能）
接口的分类： 由于接口的复杂性，接口芯片的种类也很多：
按通用程度：通用接口和专用接口； 按数据传送方式分：串行接口，并行接口； 按信号的类型分：模拟接口，数字接口；
中断控制方式基本电路
5
1 2
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程序中断控制方法的特点：
①虽然程序中断功能参与了控制，但数据的传送仍然要靠在程 序中排入I/O指令完成。这一点和程序直接控制输入输出方式 是相同的。
②为保证可靠地进行数据输入输出传送，需要外部设备形成的 “已做好传送数据准备”的状态信息，不是用指令输入来测试的， 而是从CPU的中断请求输入端直接加入的。正是由于CPU具有响 应外部中断请求的能力，避免了用指令查询外部设备状态造成 的大量时间浪费，从而使系统的时间利用率大大提高了。 ③中断控制输入输出是靠硬件和软件相配合实现的。与程序直 接控制输入输出相比较，中断控制输入输出大大提高了CPU的 时间利用率，这是这种输入输出方式的主要优点。但它实现起 来相对复杂。
02F8～02FF 0300～031F 0320～032F
0330～0377 0378～037F
0380～038F 0390～03AF 03B0～03BF
03C0～03CF 03D0～03DF 03E0～03EF 03FF 03F0～03F7 03F8～03FF
6.3、CPU与外设数据传送的方式 在微型计算机系统中，一般有三种基本的输入输出
6.3.3 存储器直接存取方式
●存储器直接存取DMA（Direct Memory Access） 方式的基本思想是在外部设备和存储器之间开辟 直接的数据传送通路，数据传送不是靠执行I/O 指令，数据不经过CPU内的任何寄存器，也就不 破坏任何寄存器原来的内容，而是在存储器和外 部设备之间的通路上直接传送数据。这种I/O方 式的实现主要是靠硬件（DMA控制器）实现的。
32字节
32字节 32字节 32字节
8253A—5 定时/计数器
8255A—5 并行接口芯片 DMA 页面寄存器 屏蔽寄存器
0080～0083
009F 00A0
00BF 0080
00A0～00BF NMI
01FF
320字节
0200
0200～020F 0210～0217 0218～02F7
游戏控制口 扩展部件 未用 异步通信卡（第二个） 实验卡 硬盘适配器 未用 并行打印机 SPLC通信 未用 单色显示器 / 打印机 未用 彩色/ 图形显示卡 未用 软盘适配器 异步通信卡（第一个）
不同的接口电路,功能侧重点的不同，但最终的目的 是为了保证数据的可靠传送。
接口电路中的信息:
1、数据信息 数字量 模拟量 开关量 2、控制信息 3、状态信息 这三类信息是不同性质的信息，但在CPU与外设 交换信息时，只能通过数据总线来传送，为了分 辨出这些信息，这三类信息保存在各自的寄存器 中，每个寄存器称为一个端口。
②条件传送控制方式
无条件传送方式又称同步方式，即CPU的动作必须与外设 同步，否则，传送数据出错。 ������ 当CPU任何时刻用IN指令从数据输入端口读取输入设备 数据时，输入设备总有一组有效数据让CPU读走（即输入设 备常处于数据准备好状态，如开关设备）。这样的设备与 CPU传送数据通常采用无条件输入方法。输入设备与系统总 线之间的接口电路中只包含一个数据输入端口。 ������ 当CPU任何时刻用OUT指令通过数据输出端口向输出设备输 出数据时，输出设备总处于接收数据准备好状态（如LED设 备）。这样的设备与CPU传送数据通常采用无条件输出方法。 输出设备与系统总线之间的接口电路中只包含一个数据输出 端口。
DMA传送的基本原理:
存储器直接存取方式的特点：
优点：由于在数据传送时没有程序和指令介入，CPU只是暂停 一个或几个总线周期的时间，CPU内各寄存器的内容没有任何 改变，所以CPU的时间利用率比前两种I/O方式大大提高。这 种I/O方式最适合于高速外部设备与存储器之间交换成批数据 的情况。例如，磁盘与存储器之间的数据传送一般利用这种方 式。 缺点：说没有程序和指令介入仅仅是数据传送期间，并不意味 着DMA输入输出的全过程都没有程序介入。恰恰相反，数据传 送前的准备工作，例如传送涉及的存储区的开始地址，要传送 的字节数等参数，都是用程序预置于DMA控制器中的。 这就是说，DMA的I/O的实现更加复杂，不仅要有DMA传送数据的 控制机构，还要有程序直接控制的输入输出方式或中断控制输 入输入方式的硬件和软件支持DMA的实现。
例 一个输入设备的简单接口电路
例 一个输出设备的简单接口电路
②查询法输入输出方法
对有些设备，CPU能否与其之间传送数据，与设备 的状态有关。如A/D转换器与CPU之间的数据传送， CPU要读取A/D转换后的数字量信号，必须查询A/D
转换器是否转换结束，只有转换结束后，才能读
取转换结果。又如CPU向打印机输出数据前，必须 查询打印机是否处于接收准备好状态。这样一些 设备与CPU之间数据传送时，常采用查询法。其接 口方法如下图所示。