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微型計算機原理及應用學習筆記 數(shù)據(jù)傳送的控制方式

作者：山東自考   來源：山東自考   點擊數(shù)：   更新時間：2013-12-5 11:20:59

在計算機的操作過程中，最基本和最大量的操作是數(shù)據(jù)傳送。在微機系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)主要在CPU、存儲器和I／O接口之間傳送，在數(shù)據(jù)傳送過程中，關鍵問題是數(shù)據(jù)傳送的控制方式，按照I／O控制組織的演變順序以及外設與主機并行工作的程度，微機系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳送的控制方式主要有兩種，即程序控制傳送方式和DMA傳送方式。
    一、程序控制傳送方式 
    程序控制的數(shù)據(jù)傳送分為無條件傳送、查詢傳送和中斷傳送，這類傳送方式的特點是，以CPU為中心，數(shù)據(jù)傳送的控制來自CPU，通過預先編制好的輸人或輸出程序(傳送指令和I／O指令)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。這種數(shù)據(jù)傳送方式的傳送速度較低，傳送路徑要經(jīng)過CPU內(nèi)部的寄存器，同時數(shù)據(jù)的輸入輸出的響應也較慢。
    (一)無條件傳送方式
    無條件傳送方式又稱“同步傳送方式”。主要用于外設的定時是固定的且是已知的場合，外設必需在微處理器限定的指令時間內(nèi)準備就緒，并完成數(shù)據(jù)的接收或發(fā)送。通常采用的辦法是：把I／O指令插入到程序中，當程序執(zhí)行到該I／O指令時，外設必定已為傳送數(shù)據(jù)作好了準備，于是在此指令時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳送任務。無條件傳送是最簡便的傳送方式，它所需的硬件和軟件都較少。
    一個無條件傳送的例子如圖6—9所示。這是一個同步傳送的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，圖中K5為繼電器(K5a為繼電器的8個控制觸點，K5b為繼電器的8個線圈)，繼電器線圈L0、L1、…、L7控制8個觸點逐個接通，對8個輸入模擬量進行采樣，采樣輸入之模擬量送入一個4位10進制數(shù)字電壓表U1測量，把被采樣的模擬量轉(zhuǎn)換成16位BCD碼(4位10進制數(shù))，高8位和低8位通過兩個8位端口U2(端口地址為11H)和U3(端口地址為10H)送上系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線，CPU通過IN指令讀入轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。至于究竟采集哪一通道的模擬量，則由CPU通過U4(端口地址為20H)輸出控制信號，以控制繼電器線圈LO～L7中電流的通斷，繼而控制繼電器觸點的吸合，以實現(xiàn)對不同通道模擬量的采集(“0”使線圈L電流“斷”，“1”使線圈L電流“通”)。
  以下程序可以用來實現(xiàn)圖6—9電路的數(shù)據(jù)采集。 
START：    MOV DX，，0100H    ；01→DH，設置閉合第一個繼電器代碼
                                ；00→DL，設置斷開所有繼電器代碼
    LEA BX，DSTOR          ； 輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的地址偏移量→BX
    XOR AL，AL              ；清AL及進位標志
AGAIN：    MOV AL，DL
    OUT 20H，AL             ；斷開所有繼電器線圈
    CALL NEAR DELAYl     ；模擬繼電器觸點的釋放時間
    MOV AL，DH
    OUT 20H，AL    、      ；使L0吸合
    CALL NEAR DELAY2     ；模擬觸點閉合及數(shù)字電壓表的轉(zhuǎn)換時間
    IN AX，10H             ；輸入   
    MOV [BX]，AX
INC BX
INC BX
    RCL DH，1        ；DH左移一位，為下一個觸點閉合作準備
    JNC AGAIN．      ；8個模擬量未輸入完，循環(huán)此段程序
 
(二)查詢傳送方式
查詢傳送方式又稱“異步傳送方式”。當CPU同外設工作不同步時，很難確保CPU在執(zhí)行輸入操作時，外設一定是“準備好”的；而在執(zhí)行輸出操作時，外設寄存器一定是“空”的。這樣為保證數(shù)據(jù)傳送的正確進行，提出了查詢傳送方式。當采用這種方式傳送前，CPU必須先對外設進行狀態(tài)檢測。完成一次傳送過程的步驟如下：
(1) 通過執(zhí)行一條輸入指令，讀取所選外設的當前狀態(tài)。
(2) 根據(jù)該設備的狀態(tài)決定程序去向，如果外設正處于“忙”或“未準備就緒”，則程序轉(zhuǎn)回重復檢測外設狀態(tài)，如果外設處于“空”或“準備就緒”，則發(fā)出一條輸入/輸出指令，進行一次數(shù)據(jù)傳送。
一個查詢傳送的例子如圖6-10所示。這是一個采用模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(A／D轉(zhuǎn)換器)對8個模擬量IN0～IN7采樣的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。8個輸入模擬量經(jīng)過多路開關U5選擇后送人A／D轉(zhuǎn)換器U1，多路開關U5由控制端口U4(端口地址為04H)輸出的三位二進制碼(對應于b2b1b0位)控制，當b2blb0=000時選通IN0輸入A / D轉(zhuǎn)換器，當b2blb0=111時選通IN7輸入A/D轉(zhuǎn)換器，每次只送出一路模擬量到A/D轉(zhuǎn)換器。同時，由控制端口U4的b4位控制A/D轉(zhuǎn)換器的啟動(b4=1)與停止(b4=0)。當A/D轉(zhuǎn)換器完成轉(zhuǎn)換后，READY端輸出有效信號(高電平)經(jīng)過狀態(tài)端口U2(端口地址為02H)的bo位輸入到CPU的數(shù)據(jù)總線。然后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)端口U3(端口地址為03H)輸入CPU的數(shù)據(jù)總線。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，采用了三個端口——數(shù)據(jù)口U3、控制口U4和狀態(tài)口U2。
根據(jù)上述要求，可編寫如下數(shù)據(jù)采集程序：
START：  MOV DL，0F8H    ；設置啟 動A/D轉(zhuǎn)換的信號
         MOV DI，OFFSET DSTOR    ；輸人數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的地址偏移量→DI
AGAIN：  MOV AL，DL   
         AND AL,OEFH    ；使 D4 = 0
         OUT 4，AL      ；停止A／D轉(zhuǎn)換
         CALL  DELAY    ；等待停止A／D操作的完成
   MOV AL，DL
         OUT 4，AL       ；啟動A／D，且選擇模擬量INo
 POLL： IN  AL，2        ；輸入狀態(tài)信息
        SHR AL，1
        JNC POLL         ；若未READY，程序循環(huán)等待
        IN AL，3         ；否則，輸人數(shù)據(jù)
        STOSB            ；存至內(nèi)存
        INC DL           ；修改多路開關控制信號，指向下一個模擬量
       JNE AGAIN        ；8個模擬量未輸入完，循環(huán)
        …  …          ；已完，執(zhí)行別的程序段
  
(三)中斷傳送方式
無條件傳送和查詢傳送的缺點是：CPU和外設只能串行工作，各外設之間也只能串行工作。為了使CPU和外設以及外設和外設之間能并行工作，以提高系統(tǒng)的工作效率，充分發(fā)揮CPU高速運算的能力，在計算機系統(tǒng)中引入了“中斷”機制，利用中斷來實現(xiàn)CPU與外設之間的數(shù)據(jù)傳送，這就是中斷傳送方式。
在中斷傳送方式中，通常是在程序中安排好在某一時刻啟動某一臺外設，然后CPU繼續(xù)執(zhí)行其主程序，當外設完成數(shù)據(jù)傳送的準備后，向CPU發(fā)出“中斷請求”信號，在CPU可以響應中斷的條件下，現(xiàn)行主程序被“中斷”，轉(zhuǎn)去執(zhí)行“中斷服務程序”，在“中斷服務程序”中完成一次CPU與外設之間的數(shù)據(jù)傳送，傳送完成后仍返回被中斷的主程序，從斷點處繼續(xù)執(zhí)行。
采用中斷傳送方式時，CPU從啟動外設直到外設就緒這段時間，一直仍在執(zhí)行主程序，而不是象查詢方式中處于等待狀態(tài)，僅僅是在外設準備好數(shù)據(jù)傳送的情況下才中止CPU執(zhí)行的主程序，在一定程度上實現(xiàn)了主機和外設的并行工作。同時，如果某一時刻有幾臺外設發(fā)出中斷請求，CPU可以根據(jù)預先安排好的優(yōu)先順序，按輕重緩急處理幾臺外設同CPU的數(shù)據(jù)傳送，這樣在一定程度上也可實現(xiàn)幾個外設的并行工作。
中斷傳送方式的接口電路如圖6—11所示。這是一個輸入接口電路。當輸入設備準備好一個數(shù)據(jù)后，發(fā)出選通信號STB，該信號一路送數(shù)據(jù)鎖存器Ul，使輸入設備的8位數(shù)據(jù)送入鎖存器U1；另一路送中斷請求觸發(fā)器U2，將U2置“1”，若系統(tǒng)允許該設備發(fā)出中斷請求，則中斷屏蔽觸發(fā)器U3已置“l(fā)”，從而通過與門U7向CPU發(fā)出中斷請求信號INTR。若無其他設備的中斷請求，在CPU開中(即IF=1)的情況下CPU則在現(xiàn)行指令結(jié)束后，CPU響應該設備的中斷請求，執(zhí)行中斷響應總線周期，發(fā)出中斷響應信號，要求提出中斷請求的外設把一個字節(jié)的中斷類型碼送上數(shù)據(jù)總線，然后CPU根據(jù)該中斷類型碼轉(zhuǎn)而去執(zhí)行中斷服務程序，讀人數(shù)據(jù)(通過IN指令，打開三態(tài)緩沖器U4)，同時復位中斷請求觸發(fā)器U2。中斷服務完成后，再返回被中斷的主程序。
 二、DMA(直接存儲器存取)傳送方式
當某些外設，諸如磁盤、CRT顯示器、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器等要求高速而大量地傳送數(shù)據(jù)時，采用程序控制方式來傳送數(shù)據(jù)往往無法滿足速度的要求，就拿程序控制方式中傳送速度最快的中斷方式而言，每傳送一個字節(jié)(或一個字)都得把主程序停下來，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行中斷服務程序，在執(zhí)行中斷服務程序前要做好現(xiàn)場保護，執(zhí)行完中斷服務程序后還得恢復現(xiàn)場。由于在程序控制方式中數(shù)據(jù)傳送過程始終受CPU的干預，CPU都需要取出和執(zhí)行一系列指令，每一字節(jié)(或字)數(shù)據(jù)都必需經(jīng)過CPU的累加器才能輸入輸出，這就從根本上限制了數(shù)據(jù)傳送的速度。為此提出了在外設和內(nèi)存之間直接地傳送數(shù)據(jù)的方式，即DMA傳送方式。
DMA(DirectMemoryAccess)是一種不需要CPU干預也不需要軟件介入的高速數(shù)據(jù)傳送方式。由于CPU只起動而不干預這一傳送過程，同時整個傳送過程只由硬件完成而不需軟件介入，所以其數(shù)據(jù)傳送速率可以達到很高。在DMA傳送方式中，對這一數(shù)據(jù)傳送過程進行控制的硬件稱為DMA控制器(DMAC)。
 (一)DMA操作的基本方法
DMA操作的基本方法有三種：
  1．周期挪用(CycleStealing)
利用CPU不訪問存儲器的那些周期來實現(xiàn)DMA操作，此時，DMAC可以使用總線而不用通知CPU也不會妨礙CPU的工作。這種方法的關鍵是如何識別合適的可挪用的周期，以避免同CPU的操作發(fā)生重疊。有的CPU能產(chǎn)生一個表示存儲器是否正在被使用的信號(例如M6800的VMA)，有的CPU則規(guī)定在特定狀態(tài)下(例如Intel8080的T4、T5狀態(tài))不訪問存儲器，此時就可用于實現(xiàn)DMA操作。周期挪用并不減慢CPU的操作。但可能需要復雜的時序電路，而且數(shù)據(jù)傳送過程是不連續(xù)的和不規(guī)則的。
2．周期擴展
使用專門的時鐘發(fā)生器/驅(qū)動器電路，當需要進行DMA操作時，由DMAC發(fā)出請求信號給時鐘電路，時鐘電路把供給CPU的時鐘周期加寬，而提供給存儲器和DMAC的時鐘周期不變。這樣，CPU在加寬時鐘周期內(nèi)操作不往下進行，而這加寬的時鐘周期相當于若干個正常的時鐘周期，可用來進行DMA操作。加寬的時鐘結(jié)束后，CPU仍按正常的時鐘繼續(xù)操作。這種方法會使CPU的處理速度減慢，而且CPU時鐘周期的加寬是有限制的。因此用這種方法進行DMA傳送，一次只能傳送一個字節(jié)。    ’
3．CPU停機方式
在這種方式下，當DMAC要進行DMA傳送時，DMAC向CPU發(fā)出DMA請求信號，迫使CPU在現(xiàn)行的總線周期(機器周期)結(jié)束后，使其地址總線、數(shù)據(jù)總線和部分控制總線處于高阻態(tài)，從而讓出對總線的控制權，并給出DMA響應信號。DMAC接到該響應信號后，就可以控制總線，進行數(shù)據(jù)傳送的控制工作，直到DMA操作完成，CPU再恢復對總線的控制權，繼續(xù)執(zhí)行被中斷的程序。注意，采用這種方法進行的DMA傳送期間，CPU處于空閑狀態(tài)，會降低CPU的利用率，而且會影響CPU對中斷(包括不可屏蔽中斷)的響應和動態(tài)RAM的刷新，這是需要加以考慮的。但在實際應用中，這是最常用、最簡單的傳送方式，大部分DMAC都采用這種方式。
(二)DMA的傳送方式
通常，大部分DMAC都有三種DMA傳送方式：
1．單字節(jié)傳送方式
每次DMA傳送只傳送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，傳送后釋放總線由CPU控制總線至少一個完整的總線周期。以后又測試DMA請求線DREQ，若有效，再進入DMA周期。在這種方式中要注意：①在DMA響應信號DACK有效前，DREQ必須保持有效；②若DREQ在傳送過程中一直保持有效，在兩次傳送之間也必需釋放總線。
2．成組傳送方式
一個DMA請求可以傳送一組信息，這一組信息的字節(jié)數(shù)由編程決定(在DMAC初始化時)，只要在DACK有效之前DREQ保持有效即可。一旦DACK有效，不管DREQ是否有效，DMAC一直不放棄總線控制權，直到整個數(shù)組傳送完。
3．請求傳送方式
請求傳送方式又稱查詢傳送方式。該方式的傳送類似于成組傳送方式，但每傳送一個字節(jié)后，DMAC就檢測DREQ，若無效，則掛起；若有效，繼續(xù)DMA傳送，直到：①一組信息傳送結(jié)束；②外加信號強制DMAC中止操作。
(三)DMAC(DMA控制器)的基本功能
在DMA操作中，DMAC是控制存儲器和外設之間高速傳送數(shù)據(jù)的硬件電路， 是一種完成直接數(shù)據(jù)傳送的專用處理器，它必需能夠取代CPU和軟件在程序控制傳送中的各項功能，因此DMAC應該具有如下功能：
(1)能接受外設的DMA請求信號DREQ，并能向外設發(fā)出DMA響應信號DACK；
(2)能向CPU發(fā)出總線請求信號(HOLD或BUSRQ)，當CPU發(fā)出總線響應信號(HLDA或BUSAK)后能接管對總線的控制權，進入DMA方式；
(3)能發(fā)出地址信息，對存儲器尋址并修改地址指針；
(4)能發(fā)出讀、寫等控制信號，包括存儲器訪問信號和I／O訪問信號；
(5)能決定傳送的字節(jié)數(shù)，并能判斷DMA傳送是否結(jié)束；
(6)能發(fā)出DMA結(jié)束信號，釋放總線，使CPU恢復正常工作。
具有上述功能的DMAC工作示意圖如圖6-12所示。
該電路的工作過程如下：當輸入設備準備好一個字節(jié)數(shù)據(jù)時，發(fā)出選通脈沖STB，該信號一方面選通“數(shù)據(jù)緩沖寄存器”U2，把輸人數(shù)據(jù)通過U2送入“鎖存器”U3；另一方面將“DMA請求觸發(fā)器”U1置“1”，作為鎖存器U3的準備就緒信號READY，打開鎖存器U3，把輸入數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線；同時DMA請求觸發(fā)器U1向DMAC發(fā)出DMA請求信號。然后，DMAC向CPU發(fā)出HOLD(總線請求)信號，CPU在現(xiàn)行總線周期結(jié)束后給予響應，發(fā)出HLDA信號，DMAC接到該信號后接管總線控制權，發(fā)出DMA響應和地址信息，并發(fā)出存儲器寫命令，把外設輸入數(shù)據(jù)（經(jīng)緩沖器U2、鎖存器U3暫存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線上）寫到內(nèi)存，然后修改地址指針，修改計數(shù)器、檢查傳送是否結(jié)束，若未結(jié)束，則循環(huán)傳送直至整個數(shù)據(jù)塊傳送完。在整個數(shù)據(jù)塊傳送完后，DMAC撤除總線請求信號HOLD，在下一個T周期的上升沿，使HLDA變?yōu)闊o效。上述過程如圖6—13的波形圖所示。