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在計算機的操作中最基本和最頻繁的操作是數(shù)據(jù)傳送，在微機系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)主要在CPU、內(nèi)存和I／O接口之間傳送，在傳送過程中，關(guān)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(shè)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，即程序控制方式和DMA（直接存儲器存取）方式。

4.2.1 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(yù)先編制好的輸入或輸出程序（傳送指令和I/O指令）實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。這種傳送方式的數(shù)據(jù)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(yīng)也較慢。

1．無條件傳送方式

又稱“同步傳送方式”。主要用于外設(shè)的定時是固定的而且是已知的場合，外設(shè)必需在微處理器限定的指令時間內(nèi)準(zhǔn)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(dāng)程序執(zhí)行到該I／O指令時，外設(shè)必定已為傳送數(shù)據(jù)做好了準(zhǔn)備，于是在此指令時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳送任務(wù)。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4-4所示。這是一個同步傳送的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，圖中U5為繼電器（U5a為繼電器的8個控制觸點，U5b為繼電器的8個線圈），繼電器線圈PO、P1、…P7控制8個觸點K0、K1、…、K7逐個接通，對8個輸入模擬量進(jìn)行采樣，采樣輸入之模擬量送入一個4位10進(jìn)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(jìn)制數(shù)），高8位和低8位通過兩個8位端口U2（端口地址為llH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PO～P7中電流的通斷，繼而控制繼電器觸點KO～K7的吸合，以實現(xiàn)對不同通道模擬量的采集（“0”使線圈P電流“斷”，“1”使線圈P電流“通”）。

以下程序可以用來實現(xiàn)圖4-4電路的數(shù)據(jù)采集。

START：MOV DX，0100H；01→DH，設(shè)置閉合第一個繼電器代碼

；00→DL，設(shè)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(jìn)位標(biāo)志

AGAIN：MOV AL，DL

OUT 20H，AL；斷開所有繼電器線圈

CALL NEAR DELAY1；模擬繼電器觸點的釋放時間

MOV AL，DH

OUT 20H，AL；使PO吸合

CALL NEAR DELAY；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(zhǔn)備

JNC AGAIN；8個模擬量未輸入完，循環(huán)此段程序

2．查詢傳送方式

又稱“異步傳送方式”。當(dāng)CPU同外設(shè)工作不同步時，很難確保CPU在執(zhí)行輸入操作時，外設(shè)一定是“準(zhǔn)備好”的；而在執(zhí)行輸出操作時，外設(shè)寄存器一定是“空”的。這樣為保證數(shù)據(jù)傳送的正確進(jìn)行，提出了查詢傳送方式。當(dāng)采用這種方式傳送前，CPU必須先對外設(shè)進(jìn)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(shè)的當(dāng)前狀態(tài)。

（2）根據(jù)該設(shè)備的狀態(tài)決定程序去向，如果外設(shè)正處于“忙”或“未準(zhǔn)備就緒”，則程序轉(zhuǎn)回重復(fù)檢測外設(shè)狀態(tài)，如果外設(shè)處于“空”或“準(zhǔn)備就緒”，則發(fā)出一條輸入購出指令，進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳送。

一個查詢傳送的例子如圖4-5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～I(xiàn)N7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(guān)U5選擇后送入A／D轉(zhuǎn)換器 U1，多路開關(guān)U5由控制端口U4（端口地址為04H）輸出的三位二進(jìn)制碼（對應(yīng)于b2b1b0位）控制，當(dāng)b2b1b0=000時選通IN0輸入A／D轉(zhuǎn)換器，…b2b1b0=1ll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(dāng)A／D轉(zhuǎn)換器完成轉(zhuǎn)換后，READ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b0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，OF8H；設(shè)置啟動A/D轉(zhuǎn)換的信號

MOV DI，OFFSET DSTOR ；輸入數(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IN0

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，輸入數(shù)據(jù)

STOSB；存至內(nèi)存

INC DL；修改多路開關(guān)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

3．中斷傳送方式

無條件傳送和查詢傳送的缺點是：CPU和外設(shè)只能串行工作，各外設(shè)之間也只能串行工作。為了使CPU和外設(shè)以及外設(shè)和外設(shè)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”系統(tǒng)，利用中斷來實現(xiàn)CPU與外設(shè)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(shè)，然后CPU繼續(xù)執(zhí)行其主程序，當(dāng)外設(shè)完成數(shù)據(jù)傳送的準(zhǔn)備后，向CPU發(fā)出“中斷請求”信號，在CPU可以響應(yīng)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(wù)程序”，在“中斷服務(wù)程序” 中完成一次CPU與外設(shè)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(shè)直到外設(shè)就緒這段時間，一直仍在執(zhí)行主程序，而不是像查詢方式中處于等待狀態(tài)，僅僅是在外設(shè)準(zhǔn)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(shè)的并行工作。同時，如果某一時刻有幾臺外設(shè)發(fā)出中斷請求，CPU可以根據(jù)預(yù)先安排好的優(yōu)先順序，按輕重緩急處理幾臺外設(shè)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(shè)的并行工作。

（1）中斷控制電路。在采用中斷傳送方式的I／O接口中，通常要采用中斷控制電路來實現(xiàn)中斷控制，該控制電路必須實現(xiàn)如下功能：

①能控制多個中斷源（采用中斷方式的I／O設(shè)備）實現(xiàn)中斷傳送，即任一個中斷源提出中斷請求，該中斷控制電路必須都能向CPU發(fā)出中斷請求信號；

②能對多個中斷源同時發(fā)出的中斷請求進(jìn)行優(yōu)先級判別；

③能實現(xiàn)中斷嵌套；

④能提供對應(yīng)中斷源的中斷類型碼（用以指示中斷服務(wù)程序的入口地址，見4.3節(jié)）

目前常用的中斷控制器中，常采用如圖4-6所示的編碼器和比較器組成的中斷優(yōu)先級排隊電路來實現(xiàn)上述功能。

該電路的工作過程如下；

設(shè)有8個中斷源，當(dāng)任何一個有中斷請求時，通過“或”門，即可產(chǎn)生一個中斷請求信號，但它能否送至CPU的中斷請求線，還必須受比較器的控制。

8條中斷輸入線的任何一條，經(jīng)過編碼器可以產(chǎn)生三位二進(jìn)制優(yōu)先級編碼A2A1A0，優(yōu)先級最高的中斷輸入線的編碼為111，優(yōu)先級最低的中斷輸入線的編碼為000，而且若有多個中斷輸入線同時輸入，則編碼器只輸出優(yōu)先級最高的編碼。

正在進(jìn)行中斷處理的外設(shè)的優(yōu)先級編碼，由CPU通過軟件，經(jīng)數(shù)據(jù)總線送至優(yōu)先級寄存器，然后輸出編碼B2B1B0至比較器。

比較器對編碼A2A1A0與B2B1B0的大小進(jìn)行比較。若A≤B，則“A＞B”端輸出低電平。封鎖與門1，禁止向CPU發(fā)出新的中斷請求；只有當(dāng)A＞B時，比較器輸出端才為高電平，打開與門1，將中斷請求信號送至CPU的INT輸入端，當(dāng)CPU響應(yīng)中斷后，就中斷正在進(jìn)行的中斷服務(wù)程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行優(yōu)先級更高的中斷服務(wù)程序。

若CPU不在執(zhí)行中斷服務(wù)程序時（即在執(zhí)行主程序），則優(yōu)先級失效信號為高電平，此時如有任一中斷源請求中斷，都能通過與門2，向CPU發(fā)出INT信號。

當(dāng)外設(shè)的個數(shù)≤8時，它們公用一個產(chǎn)生中斷向量的電路，該電路有三位比較器的編碼A2A1A0供給。據(jù)此不同的編碼，即可轉(zhuǎn)入不同的入口地址。
圖中IRR為中斷請求寄存器、IMR為中斷屏蔽寄存器，其作用見4.4節(jié)。

（2）中斷傳送方式的接口電路。中斷傳送方式的接口電路如圖4-7所示。這是一個輸入接口電路。當(dāng)輸入設(shè)備準(zhǔn)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U1，使輸入設(shè)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(shè)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。若無其它設(shè)備的中斷請求，在CPU開中的情況下，則在現(xiàn)行指令結(jié)束后，CPU響應(yīng)該設(shè)備的中斷請求，執(zhí)行中斷響應(yīng)總線周期，發(fā)出中斷響應(yīng)信號INTA，要求提出中斷請求的外設(shè)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(wù)程序，讀入數(shù)據(jù)（通過IN指令，打開三態(tài)緩沖器U4），同時復(fù)位中斷請求觸發(fā)器U2。中斷服務(wù)完成后，再返回被中斷的主程序。

4.2.2 DMA（直接存儲器存取）傳送方式

當(dāng)某些外設(shè)，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）就得把主程序停下來，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行中斷服務(wù)程序，在執(zhí)行中斷服務(wù)程序前要做好現(xiàn)場保護(hù)，執(zhí)行完中斷服務(wù)程序后還得恢復(fù)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(yù)，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，這就從本質(zhì)上限制了數(shù)據(jù)傳送的速度。為此提出了在外設(shè)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（Direct Memory Access）是一種不需要 CPU干預(yù)也不需要軟件介入的高速數(shù)據(jù)傳送方式。由于CPU只啟動而不干預(yù)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(dá)到很高。在DMA傳送方式中，對這一數(shù)據(jù)傳送過程進(jìn)行控制的硬件稱為DMA控制器（DMA）。

1．DMA操作的基本方法

DMA操作的基本方法有三種：

（1）周期挪用（Cycle stealing）。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(guān)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Inte18080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(fù)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(dāng)需要進(jìn)行DMA操作時，由DMA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(jìn)行，而這加寬的時鐘周期相當(dāng)于若干個正常的時鐘周期，可用來進(jìn)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(jìn)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(dāng)DMA要進(jìn)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(quán)，并給出DMA響應(yīng)信號。DMA接到該響應(yīng)信號后，就可以控制總線，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的控制工作，直到DMA操作完成，CPU再恢復(fù)對總線的控制權(quán)，繼續(xù)執(zhí)行被中斷的程序。注意，采用這種方法進(jìn)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(yīng)和動態(tài)hAM的刷新，這是需要加以考慮的。但在實際應(yīng)用中，這是最常用、最簡單的傳送方式，大部分DMA都采用這種方式。

2．DMA的傳送方式

通常，大部分DMA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(jìn)入DMA周期。在這種方式中要注意：①在DMA響應(yīng)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DMA初始化時），只要在DACK有效之前DRFQ保持有效即可。一旦DACK有效，不管DREQ是否有效，DMA一直不放棄總線控制權(quán)，直到整個數(shù)組傳送完。

（3）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，DMA就檢測DRFQ，若無效，剛掛起；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DMA中止操作。

3．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(shè)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DMA應(yīng)該具有如下功能：

（1）能接受外設(shè)的DMA請求信號DREQ，并能向外設(shè)發(fā)出DMA響應(yīng)信號DACK；

（2）能向CPU發(fā)出總線請求信號（HOLD或BUSRQ），當(dāng)CPU發(fā)出總線響應(yīng)信號（HLDA或BUSAK）后能接管對總線的控制權(quán)，進(jìn)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(fù)正常工作。

具有上述功能的DMA工作示意圖如圖4-8所示。

該電路的工作過程如下：當(dāng)輸入設(shè)備準(zhǔn)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，把輸入數(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(zhǔn)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DMA發(fā)出DMA請求信號。然后，DMA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(yīng)，發(fā)出HLDA信號，DMAC接到該信號后接管總線控制權(quán)，發(fā)出DMA響應(yīng)和地址信息，并發(fā)出存儲器寫命令，把外設(shè)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)傳送完后，DMA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4-9的波形圖所示。