微机原理及应用(第6章)

1、u了解微型计算机的构成了解微型计算机的构成u掌握掌握I/OI/O接口的定义、数据通过接口的定义、数据通过I/OI/O接口接口传输的方式传输的方式u理解理解 DMADMA控制器控制器8237A8237A的结构及工作原理的结构及工作原理学习目标：学习目标： （1）I/O接口接口 （2）I/O接口的类型接口的类型 （3）I/O端口的编址方式端口的编址方式返回返回返回返回 ：无条件传送方式（同步传送方式）：无条件传送方式（同步传送方式） ：查询传送方式（条件传送方式）：查询传送方式（条件传送方式） ：中断方式：中断方式 ： DMA方式（直接存储器存取方式）方式（直接存储器存取方式）返回返回 总线定义总

2、线定义 总线分类总线分类 总线周期总线周期 总线的操作过程总线的操作过程 系统总线标准系统总线标准返回返回 DMA的基本原理的基本原理 8237A的内部结构和引脚的内部结构和引脚 8237A的工作方式和传输类型的工作方式和传输类型 8237A的初始化编程及应用）的初始化编程及应用） 数据信息是数据信息是I/O接口传递的主要内容，例如我们从键盘上输到计算机内部的接口传递的主要内容，例如我们从键盘上输到计算机内部的信息，从外部采集到的测量值，及由输出设备如信息，从外部采集到的测量值，及由输出设备如CRT显示的内容，或输出显示的内容，或输出CPU运算的结果，都属于数据信息。当然这些信息是按一定的编码

3、标准（例如是二运算的结果，都属于数据信息。当然这些信息是按一定的编码标准（例如是二进制格式，还是进制格式，还是ASCII码标准），每若干位组合表示一个数字或符号。码标准），每若干位组合表示一个数字或符号。2. I/O接口的组成接口的组成 状态信号和控制信号是与数据是不同性质的信息，必须要分别传送。但在大部状态信号和控制信号是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，只有通用的分微型机中，只有通用的IN和和OUT指令，因此，外设的状态必须作为一种数据信息输指令，因此，外设的状态必须作为一种数据信息输入，而入，而CPU的控制信号，也必须作为一种数据输出。为了使它们相互之间区分开，

4、它的控制信号，也必须作为一种数据输出。为了使它们相互之间区分开，它们必须有自己的传送端口。们必须有自己的传送端口。1）端口：）端口： 计算机中所有能被指令直接寻址的计算机中所有能被指令直接寻址的I/O口被称为端口。每个端口均有各自的编号口被称为端口。每个端口均有各自的编号即端口地址。一个端口地址只能对应一个端口，决不允许两个端口共用一个地址，否即端口地址。一个端口地址只能对应一个端口，决不允许两个端口共用一个地址，否则寻址时将发出混乱。则寻址时将发出混乱。 传送数据信息需要一个端口，传送外设的状态信息需要一个端口，传送控制信息也需传送数据信息需要一个端口，传送外设的状态信息需要一个端口，传送控

5、制信息也需要一个端口。所以，一个外设或接口电路往往有几个端口地址，要一个端口。所以，一个外设或接口电路往往有几个端口地址，CPU寻址的是端口，寻址的是端口，而不是笼统的外设。而不是笼统的外设。2）I/O接口的构成：接口的构成： 每一个每一个I/O接口一般都由数据端口、状态端口及控制端口组成。接口一般都由数据端口、状态端口及控制端口组成。I/O接口的构成如下图接口的构成如下图控制信息状态信息数据信息控制端口状态端口数据端口控制总线数据总线地址总线外设返回返回1、无条件传送方式（同步传送方式）、无条件传送方式（同步传送方式）2、查询传送方式（条件传送方式）、查询传送方式（条件传送方式）3、中断方式

6、、中断方式4、DMA方式（直接存储器存取方式）方式（直接存储器存取方式） “准备好准备好”的含义：对于输入设备而言，即输入数据的含义：对于输入设备而言，即输入数据寄存器已满寄存器已满准备好新数据供准备好新数据供CPU读取；对于输出设备读取；对于输出设备来说，即输出数据寄存器已空来说，即输出数据寄存器已空原有数据已被使用，可原有数据已被使用，可以接收以接收CPU送来的新数据。送来的新数据。特点：特点：6.2.3中断方式中断方式返回返回 总线是微机中用来连接各部件的一组通信线，是一种在各模块间传送信息的公共总线是微机中用来连接各部件的一组通信线，是一种在各模块间传送信息的公共通路。在微机系统中，利

7、用总线实现芯片内部、印刷电路板各部件之间、机箱内各插通路。在微机系统中，利用总线实现芯片内部、印刷电路板各部件之间、机箱内各插件板之间、主机与外部设备之间或系统与系统之间的连接与通信。总线是构成微型计件板之间、主机与外部设备之间或系统与系统之间的连接与通信。总线是构成微型计算机应用系统的重要技术，总线设计好坏会直接影响整个微机系统的性能、可靠性、算机应用系统的重要技术，总线设计好坏会直接影响整个微机系统的性能、可靠性、可扩展性和可升级性。可扩展性和可升级性。根据总线所处的位置不同，可将总线分为下列几类：根据总线所处的位置不同，可将总线分为下列几类：它位于芯片内部，用来连结各功能单元的信息通路。

8、例如它位于芯片内部，用来连结各功能单元的信息通路。例如CPU内部，内部，ALU单元和寄存器之单元和寄存器之间的信息通路。间的信息通路。 在印刷电路板上连接各芯片之间的公共通路，例如在印刷电路板上连接各芯片之间的公共通路，例如CPU及其支持芯片与其局部资源之及其支持芯片与其局部资源之间的通道。间的通道。 内总线又称为系统总线，它用来连接微机系统各插件板卡，是微机系统最重要的一种内总线又称为系统总线，它用来连接微机系统各插件板卡，是微机系统最重要的一种总线。例如总线。例如PC系列机中的系列机中的ISA总线、总线、EISA总线、总线、PCI总线都属于内总线。总线都属于内总线。 外总线又称为通信总线，

9、用于微机系统与系统之间的连接，微机系统与外部设备外总线又称为通信总线，用于微机系统与系统之间的连接，微机系统与外部设备如打印机、盘设备或微机系统和仪器仪表之间的连接通道。这种总线数据传输方式可如打印机、盘设备或微机系统和仪器仪表之间的连接通道。这种总线数据传输方式可以是并行以是并行(如打印机如打印机)或串行。数据传输速率比内总线低。不同的应用场合有不同的总或串行。数据传输速率比内总线低。不同的应用场合有不同的总线标准。例如，串行通信的线标准。例如，串行通信的EIARS 232C总线。总线。系统总线上的数据传输是在主控模块控制下进行的，主控模块是指有控制总线系统总线上的数据传输是在主控模块控制下

10、进行的，主控模块是指有控制总线能力的模块，例如能力的模块，例如CPU及及DMA模块。一般来说，总线上完成一次数据传输模块。一般来说，总线上完成一次数据传输要经历以下要经历以下4个阶段：个阶段：1.申请阶段申请阶段:当系统总线上有多个主控模块时，需要使用总线的主控模块向总线仲裁机构提当系统总线上有多个主控模块时，需要使用总线的主控模块向总线仲裁机构提出占有总线控制权的申请。由总线仲裁机构判别确定，把下一个总线传输周出占有总线控制权的申请。由总线仲裁机构判别确定，把下一个总线传输周期的总线控制权授给申请者。期的总线控制权授给申请者。2.寻址阶段寻址阶段:获得总线控制权的主控模块通过地址总线发出本次

11、打算访问的从属模块的地址获得总线控制权的主控模块通过地址总线发出本次打算访问的从属模块的地址（如存储器或（如存储器或I/O接口的地址）及有关命令，开始启动被访问的从属模块。接口的地址）及有关命令，开始启动被访问的从属模块。3.传数阶段传数阶段:主模块和从属模块进行数据交换。数据由源模块出发经数据总线流入目的模块主模块和从属模块进行数据交换。数据由源模块出发经数据总线流入目的模块。对于读传送，源模块是存储器或。对于读传送，源模块是存储器或I/O接口，而目的模块是总线主控者接口，而目的模块是总线主控者CPU；对于写传送，则源模块是总线主控者，如；对于写传送，则源模块是总线主控者，如CPU，而目的模

12、块是存储器或，而目的模块是存储器或I/O接口。接口。4:结束阶段：结束阶段：主、从模块的有关信息均从总线上撤除，让出总线，以便其它模块能继续使用主、从模块的有关信息均从总线上撤除，让出总线，以便其它模块能继续使用返回返回1、DMA的基本原理的基本原理2、8237A的内部结构和引脚的内部结构和引脚3、8237A的工作方式和传输类型的工作方式和传输类型4、8237A的初始化编程及应用）的初始化编程及应用）6.4.1 DMA的基本原理的基本原理图图6.6 DMAC的工作原理框图的工作原理框图DMAC的工作原理的工作原理8237A的内部结构和引脚的内部结构和引脚图图6.8 8237A的引脚的引脚823

13、7A的引脚的引脚uDREQ0DREQ3：DMA请求信号输入引脚，对应于四个请求信号输入引脚，对应于四个独立的通道，独立的通道，DREQ的有效电平可以通过编程来加以确定的有效电平可以通过编程来加以确定，优先级可以固定，也可以旋转。，优先级可以固定，也可以旋转。DACK0DACK3：对相应通道：对相应通道DREQ请求输入信号的应答请求输入信号的应答信号输出引脚。信号输出引脚。HRQ：8237A向向CPU提出提出DMA请求的输出信号引脚，高请求的输出信号引脚，高电平有效。电平有效。HLDA：CPU对对HRQ请求信号的应答信号输入引脚，高请求信号的应答信号输入引脚，高电平有效。电平有效。DB0DB7：

14、8条双向三态数据总线引脚。在条双向三态数据总线引脚。在CPU控制系统控制系统总线时，可以通过总线时，可以通过DB0DB7对对8237编程或读出编程或读出8237的内部的内部状态寄存器的内容；在状态寄存器的内容；在DMA操作期间，由操作期间，由DB0DB7输出输出高高8位地址信号位地址信号A8A15，并利用，并利用ADSTB信号锁存该地址信信号锁存该地址信号。号。8237A的引脚的引脚 8237A有有4根地址输入线根地址输入线A0A3，其片内有，其片内有16个端口可供个端口可供CPU访访问。各寄存器的端口地址和软件命令寻址如表问。各寄存器的端口地址和软件命令寻址如表6-1所示。所示。A 0写操作

15、（ 为0时）读操作（ 为0时）0 0 0 0通道0地址寄存器通道0现行地址寄存器0 0 0 1通道0字节数寄存器通道0现行字节数寄存器0 0 1 0通道1地址寄存器通道1现行地址寄存器0 0 1 1通道1字节数寄存器通道1现行字节数寄存器0 1 0 0通道2地址寄存器通道2现行地址寄存器0 1 0 1通道2字节数寄存器通道2现行字节数寄存器0 1 1 0通道3地址寄存器通道3现行地址寄存器0 1 1 1通道3字节数寄存器通道3现行字节数寄存器1 0 0 0命令寄存器状态寄存器1 0 0 1请求寄存器1 0 1 0单通道屏蔽字1 0 1 1方式寄存器1 1 0 0清先/后触发器命令1 1 0 1

16、复位命令暂存器1 1 1 0清屏蔽寄存器命令1 1 1 1综合屏蔽字IOWIOR. 用来保存用来保存DMA传送时本通道所用到的数据段地址初值，该初值传送时本通道所用到的数据段地址初值，该初值是由是由CPU对对8237A进行初始化编程时写入，但进行初始化编程时写入，但CPU不能通过输入指不能通过输入指令读出基地址寄存器的值。令读出基地址寄存器的值。 用来保存用来保存DMA传送过程中当前地址值。初始时该寄存器的值与传送过程中当前地址值。初始时该寄存器的值与基地址寄存器相同，每次基地址寄存器相同，每次DMA传送后其内容自动增传送后其内容自动增1或减或减1。现行地。现行地址寄存器的值可由址寄存器的值可

17、由CPU通过两条输入指令连续读出，每次通过两条输入指令连续读出，每次8位。若位。若8237A编程设定为自动预置，则在每次编程设定为自动预置，则在每次DMA操作结束发出操作结束发出EOP信号信号后，现行地址寄存器将根据基地址寄存器的内容自动恢复初始值。后，现行地址寄存器将根据基地址寄存器的内容自动恢复初始值。 用来保存整个用来保存整个DMA操作过程中要传送数据的字节数，这个寄存操作过程中要传送数据的字节数，这个寄存器的初值由器的初值由CPU在编程时写入，并且该寄存器的内容也不能被在编程时写入，并且该寄存器的内容也不能被CPU读出。读出。 （4）现行字节数寄存器）现行字节数寄存器:用来保存当前要传

18、送的字节数，初始时该寄用来保存当前要传送的字节数，初始时该寄存器的值与基字节数寄存器相同，每次存器的值与基字节数寄存器相同，每次DMA传送后，此寄存器内容传送后，此寄存器内容减减1，当它的值减为零时，将发出，当它的值减为零时，将发出EOP信号，表明信号，表明DMA操作结束。这操作结束。这个寄存器的值可由个寄存器的值可由CPU读出。在自动预置状态下，读出。在自动预置状态下，EOP有效时现行有效时现行字节数寄存器的值可根据基字节数寄存器的内容自动恢复为起始状态字节数寄存器的值可根据基字节数寄存器的内容自动恢复为起始状态。（5）暂存器）暂存器:在存储器到存储器的传送方式下，暂存器用于保存从源在存储器

19、到存储器的传送方式下，暂存器用于保存从源存储单元读出的数据。存储单元读出的数据。 （6）方式寄存器）方式寄存器:用于在用于在CPU对对8237A初始化编程时设定初始化编程时设定 8237A的工的工作方式、地址增减、是否自动预置、传输类型及通道选择。每个通道作方式、地址增减、是否自动预置、传输类型及通道选择。每个通道有一个有一个8位的方式寄存器，但是它们占用同一个端口地址，用来存放位的方式寄存器，但是它们占用同一个端口地址，用来存放方式字，依靠方式控制字本身的特征位来区分写入不同的通道，用来方式字，依靠方式控制字本身的特征位来区分写入不同的通道，用来规定通道的工作方式。规定通道的工作方式。请求寄

20、存器格式：请求寄存器格式： 请求寄存器用于在软件控制下产生一个请求寄存器用于在软件控制下产生一个DMA请求，就如同外请求，就如同外部部DREQ请求一样，格式如图请求一样，格式如图6.11所示所示.为请求字的格式，为请求字的格式，D0D1的不的不同编码用来表示向不同通道发出同编码用来表示向不同通道发出DMA请求。在软件编程时，这些请请求。在软件编程时，这些请求是不可屏蔽的，利用命令字即可实现使求是不可屏蔽的，利用命令字即可实现使8237按照命令字的按照命令字的D0D1所所指的通道，完成指的通道，完成D2所规定的操作，这种软件请求只用于通道工作在所规定的操作，这种软件请求只用于通道工作在数据块传送

21、方式之下。数据块传送方式之下。 8237的屏蔽字有两种形式：的屏蔽字有两种形式：单个通道屏蔽字单个通道屏蔽字和和四通道屏蔽字四通道屏蔽字。单通道屏蔽字的格式如图单通道屏蔽字的格式如图6-12所示，利用这个屏蔽字，每次只能选所示，利用这个屏蔽字，每次只能选择一个通道。其中择一个通道。其中D0D1的编码指示所选的通道，的编码指示所选的通道，D2l表示禁止该通表示禁止该通道接收道接收DREQ请求，当请求，当D20时允许时允许DREQ请求。四通道屏蔽字的格请求。四通道屏蔽字的格式如图式如图6.13所示，可以利用这个屏蔽字同时对所示，可以利用这个屏蔽字同时对8237的的4个通道的屏蔽个通道的屏蔽字进行操

22、作，故又称为主屏蔽字。它与单通道屏蔽字占用不同的字进行操作，故又称为主屏蔽字。它与单通道屏蔽字占用不同的I/O接口地址，以此加以区分。接口地址，以此加以区分。 单通道屏蔽寄存器格式：单通道屏蔽寄存器格式：四通道屏蔽寄存器格式四通道屏蔽寄存器格式:状态寄存器存放各通道的状态，状态寄存器存放各通道的状态，CPU读出其内容后，可得知读出其内容后，可得知8237的的工作状况。工作状况。 18237A的工作方式的工作方式 28237A的的DMA传输类型传输类型（1）单字节传送方式）单字节传送方式 : 每次每次DMA操作仅传送一个字节的数据，完成一个字节的操作仅传送一个字节的数据，完成一个字节的数据传送后

23、，数据传送后，8237A将当前地址寄存器的内容加将当前地址寄存器的内容加1或减或减1，并将当前字节数寄，并将当前字节数寄存器的内容减存器的内容减1，每传送完这一个字节，每传送完这一个字节，DMAC就将总线控制权交回就将总线控制权交回CPU。（2）数据块传送方式）数据块传送方式 : 在这种传送方式下，在这种传送方式下，DMAC一旦获得总线控制权，便开一旦获得总线控制权，便开始连续传送数据。每传送一个字节，自动修改当前地址及当前字节数寄存器始连续传送数据。每传送一个字节，自动修改当前地址及当前字节数寄存器的内容，直到将所有规定的字节全部传送完，或收到外部的内容，直到将所有规定的字节全部传送完，或收

24、到外部 信号，信号，DMAC才结才结束传送，将总线控制权交给束传送，将总线控制权交给CPU，一次所传送数据块的最大长度可达，一次所传送数据块的最大长度可达64KB，数据块传送结束后可自动初始化。，数据块传送结束后可自动初始化。（3）请求传送方式）请求传送方式 : 只要只要DREQ有效，有效，DMA传送就一直进行，直到连续传送到传送就一直进行，直到连续传送到字节计数器为字节计数器为0或外部输入使或外部输入使 变低或变低或DREQ变为无效时为止。变为无效时为止。（4）级联传送方式）级联传送方式 : 利用这种方式可以把多个利用这种方式可以把多个8237连接在一起，以便扩充系统连接在一起，以便扩充系统

25、的的DMA通道数。下一级的通道数。下一级的HRQ接到上一级的某一通道的接到上一级的某一通道的DREQ上，而上一上，而上一级的响应信号级的响应信号DACK可接下一级的可接下一级的HLDA上。在级联方式下，当第二级上。在级联方式下，当第二级8237的请求得到响应时，第一级的请求得到响应时，第一级8237仅应输出仅应输出HRQ信号而不能输出地址及控制信信号而不能输出地址及控制信号，因为，第二级的号，因为，第二级的8237才是真正的主控制器，而第一级的才是真正的主控制器，而第一级的8237仅应起到传仅应起到传递递DREQ请求信号及请求信号及DACK应答信号的作用。应答信号的作用。 （1）I/O接口到存

26、储器的传送。接口到存储器的传送。（2）存储器到）存储器到I/O接口。接口。（3）存储器到存储器）存储器到存储器。 在对在对8237A初始化之前，通常必须对初始化之前，通常必须对8237A进行进行复位操作复位操作，利用，利用系统总线上的系统总线上的RESET信号或软件命令信号或软件命令对对A3A2AlA0为为1101的地址进行写操的地址进行写操作，均可使作，均可使8237复位。复位后，复位。复位后，8237内部的屏蔽寄存器被置位而其它所内部的屏蔽寄存器被置位而其它所有寄存器被清有寄存器被清0，复位操作使，复位操作使8237进入空闲状态，这时才可以对进入空闲状态，这时才可以对8237进行进行初始化

27、操作。初始化操作。8237A的初始化编程及应用的初始化编程及应用【例【例6.1】 在在IBM PC/XT中，利用中，利用8237A通道通道0输出存储器地址进行输出存储器地址进行DRAM的刷新操作，其的刷新操作，其DMA传送程传送程序如下：序如下：MOV AL，00HOUT DMA+0DH，AL ；DMAC复位命令复位命令 MOV AL，00H ；固定优先权，固定优先权，DREQ高有效、高有效、DACK低有效、滞后写、正常时序低有效、滞后写、正常时序 OUT DMA+08H，AL ；DMAC命令字写入命令寄存器命令字写入命令寄存器MOV AL，00H OUT DMA+00H，AL ；写入通道写入

28、通道0的地址寄存器低字节的地址寄存器低字节OUT DMA+00H，AL ；写入通道写入通道0的地址寄存器高字节的地址寄存器高字节MOV AL，0FFH ；通道通道0的传送字节数为的传送字节数为64K字节，先写低位，后写高位字节，先写低位，后写高位OUT DMA+01H，AL ；写入通道写入通道0的字节数寄存器低字节的字节数寄存器低字节OUT DMA+01H，AL ；写入通道写入通道0的字节数寄存器高字节的字节数寄存器高字节MOV AL，58H ；通道通道0方式字：单字节传送、方式字：单字节传送、DMA读、地址增量、自动初始化读、地址增量、自动初始化OUT DMA+0BH，AL MOV AL，00H ；通道通道0屏蔽字：允许屏蔽字：允许DREQ提出申请提出申请OUT DMA+0AH，AL 值得注意的是，值得注意的是，在初始化通道在初始化通道0时，