微机原理与接口技术学习笔记 数据传送的控制方

在计算机的操作中最基本和最频繁的操作是数据传送，在微机系统中，数据主要在CPU、内存和I／O接口之间传送，在传送过程中，关键问题是数据传送的控制方式，按照I／O控制组织的演变顺序以及外设与主机并行工作的程度，微机系统中数据传送的控制方式主要有两种，即程序控制方式和DMA（直接存储器存取）方式。

    4.2.1  程序控制传送方式

    程序控制的数据传送分为无条件传送、查询传送和中断传送，这类传送方式的特点是，以CPU为中心，数据传送的控制来自CPU，通过预先编制好的输入或输出程序（传送指令和I/O指令）实现数据的传送。这种传送方式的数据传送速度较低，传送路径要经过CPU内部的寄存器，同时数据的输入输出的响应也较慢。

    1．无条件传送方式

    又称“同步传送方式”。主要用于外设的定时是固定的而且是已知的场合，外设必需在微处理器限定的指令时间内准备就绪，并完成数据的接收或发送。通常采用的办法是：把I/O指令插入到程序中，当程序执行到该I／O指令时，外设必定已为传送数据做好了准备，于是在此指令时间内完成数据传送任务。无条件传送是最简便的传送方式，它所需的硬件和软件都较少。

    一个无条件传送的例子如图4-4所示。这是一个同步传送的数据采集系统，图中U5为继电器（U5a为继电器的8个控制触点，U5b为继电器的8个线圈），继电器线圈PO、P1、…P7控制8个触点K0、K1、…、K7逐个接通，对8个输入模拟量进行采样，采样输入之模拟量送入一个4位10进制数字电压表U1测量，把被采样的模拟量转换成16位BCD码（4位10进制数），高8位和低8位通过两个8位端口U2（端口地址为llH和U3（端口地址为10H）送上系统的数据总线，CPU通过IN指令读入转换后的数字量。至于究竟采集哪一通道的模拟量，则由CPU通过U4（端口地址为20H）输出控制信号，以控制继电器线圈PO～P7中电流的通断，继而控制继电器触点KO～K7的吸合，以实现对不同通道模拟量的采集（“0”使线圈P电流“断”，“1”使线圈P电流“通”）。

 
图4-4 无条件传送

    以下程序可以用来实现图4-4电路的数据采集。

   START：MOV DX，0100H       ；01→DH，设置闭合第一个继电器代码

                              ；00→DL，设置断开所有继电器代码

          LEA BX，DSTOR       ；输入数据缓冲区的地址偏移量→BX

          XOR AL，AL          ；清AL及进位标志

   AGAIN：MOV AL，DL

          OUT 20H，AL         ；断开所有继电器线圈

          CALL NEAR DELAY1    ；模拟继电器触点的释放时间

          MOV AL，DH

          OUT 20H，AL         ；使PO吸合

          CALL NEAR DELAY     ；模拟触点闭合及数字电压表的转换时间

          IN AX，10H          ；输入

          MOV [BX]，AX

          INC BX

          INC BX

          RCL DH，1           ；DH左移一位，为下一个触点闭合作准备

          JNC AGAIN           ；8个模拟量未输入完，循环此段程序

    2．查询传送方式

    又称“异步传送方式”。当CPU同外设工作不同步时，很难确保CPU在执行输入操作时，外设一定是“准备好”的；而在执行输出操作时，外设寄存器一定是“空”的。这样为保证数据传送的正确进行，提出了查询传送方式。当采用这种方式传送前，CPU必须先对外设进行状态检测。完成一次传送过程的步骤如下：

    （1）通过执行一条输入指令，读取所选外设的当前状态。

    （2）根据该设备的状态决定程序去向，如果外设正处于“忙”或“未准备就绪”，则程序转回重复检测外设状态，如果外设处于“空”或“准备就绪”，则发出一条输入购出指令，进行一次数据传送。

    一个查询传送的例子如图4-5所示。这是一个采用模／数转换器（A／D转换器）对8个模拟量IN0～IN7采样的数据采集系统。8个输入模拟量经过多路开关U5选择后送入A／D转换器 U1，多路开关U5由控制端口U4（端口地址为04H）输出的三位二进制码（对应于b2b1b0位）控制，当b2b1b0=000时选通IN0输入A／D转换器，…b2b1b0=1ll时选通IN7输入A／D转换器，每次只送出一路模拟量到A/D转换器。同时，由控制端口U4的b4位控制A/D转换器的启动（b4=1）与停止（b4=0）。当A／D转换器完成转换后，READ端输出有效信号（高电平）经过状态端口U2（端口地址为02H）的b0位输入到CPU的数据总线。然后，经A/D转换后的数据由数据端口 U3（端口地址为 03H）输入CPU的数据总线。该数据采集系统中，采用了三个端口——数据口U3、控制口U4和状态口U2。

图4-5 查询传送

    根据上述要求，可编写如下数据采集程序：

    START：MOV DL，OF8H          ；设置启动A/D转换的信号

           MOV DI，OFFSET DSTOR  ；输入数据缓冲区的地址偏移量→DI

    AGAIN：MOV AL，DL

           AND AL OEFH           ；使D4=0

           OUT 4，AL             ；停止A/D转换

           CALL DELAY            ；等待停止A/D操作的完成

           MOV AL，DL

           OUT 4，AL             ；启动A/D，且选择模拟量IN0

    POLL： IN AL，2              ；输入状态信息

           SHR AL，1

           JNC POLL              ；若未READY，程序循环等待

           IN AL，3              ；否则，输入数据

           STOSB                 ；存至内存

           INC DL                ；修改多路开关控制信号，指向下一个模拟量

           JNE AGAIN             ；8个模拟量未输入完，循环

            …  

                                 ；已完，执行别的程序段

    3．中断传送方式

    无条件传送和查询传送的缺点是：CPU和外设只能串行工作，各外设之间也只能串行工作。为了使CPU和外设以及外设和外设之间能并行工作，以提高系统的工作效率，充分发挥CPU高速运算的能力，在计算机系统中引入了“中断”系统，利用中断来实现CPU与外设之间的数据传送，这就是中断传送方式。

    在中断传送方式中，通常是在程序中安排好在某一时刻启动某一台外设，然后CPU继续执行其主程序，当外设完成数据传送的准备后，向CPU发出“中断请求”信号，在CPU可以响应中断的条件下，现行主程序被“中断”，转去执行“中断服务程序”，在“中断服务程序” 中完成一次CPU与外设之间的数据传送，传送完成后仍返回被中断的主程序，从断点处继续执行。

    采用中断传送方式时，CPU从启动外设直到外设就绪这段时间，一直仍在执行主程序，而不是像查询方式中处于等待状态，仅仅是在外设准备好数据传送的情况下才中止CPU执行的主程序，在一定程度上实现了主机和外设的并行工作。同时，如果某一时刻有几台外设发出中断请求，CPU可以根据预先安排好的优先顺序，按轻重缓急处理几台外设同CPU的数据传送，这样在一定程度上也可实现几个外设的并行工作。

    （1）中断控制电路。在采用中断传送方式的I／O接口中，通常要采用中断控制电路来实现中断控制，该控制电路必须实现如下功能：

    ①能控制多个中断源（采用中断方式的I／O设备）实现中断传送，即任一个中断源提出中断请求，该中断控制电路必须都能向CPU发出中断请求信号；

    ②能对多个中断源同时发出的中断请求进行优先级判别；

    ③能实现中断嵌套；

    ④能提供对应中断源的中断类型码（用以指示中断服务程序的入口地址，见4.3节）

    目前常用的中断控制器中，常采用如图4-6所示的编码器和比较器组成的中断优先级排队电路来实现上述功能。

    该电路的工作过程如下；

    设有8个中断源，当任何一个有中断请求时，通过“或”门，即可产生一个中断请求信号，但它能否送至CPU的中断请求线，还必须受比较器的控制。

    8条中断输入线的任何一条，经过编码器可以产生三位二进制优先级编码A2A1A0，优先级最高的中断输入线的编码为111，优先级最低的中断输入线的编码为000，而且若有多个中断输入线同时输入，则编码器只输出优先级最高的编码。

    正在进行中断处理的外设的优先级编码，由CPU通过软件，经数据总线送至优先级寄存器，然后输出编码B2B1B0至比较器。

    比较器对编码A2A1A0与B2B1B0的大小进行比较。若A≤B，则“A＞B”端输出低电平。封锁与门1，禁止向CPU发出新的中断请求；只有当A＞B时，比较器输出端才为高电平，打开与门1，将中断请求信号送至CPU的INT输入端，当CPU响应中断后，就中断正在进行的中断服务程序，转去执行优先级更高的中断服务程序。

    若CPU不在执行中断服务程序时（即在执行主程序），则优先级失效信号为高电平，此时如有任一中断源请求中断，都能通过与门2，向CPU发出INT信号。

    当外设的个数≤8时，它们公用一个产生中断向量的电路，该电路有三位比较器的编码A2A1A0供给。据此不同的编码，即可转入不同的入口地址。
    图中IRR为中断请求寄存器、IMR为中断屏蔽寄存器，其作用见4.4节。

    （2）中断传送方式的接口电路。中断传送方式的接口电路如图4-7所示。这是一个输入接口电路。当输入设备准备好一个数据后，发出选通信号STB，该信号一路送数据锁存器U1，使输入设备的8位数据送入锁存器U1；另一路送中断请求触发器U2，将U2置“1”，若系统允许该设备发出中断请求，则中断屏蔽触发器U3已置“l”，从而通过与门U7向CPU发出中断请求信号INTR。若无其它设备的中断请求，在CPU开中的情况下，则在现行指令结束后，CPU响应该设备的中断请求，执行中断响应总线周期，发出中断响应信号INTA，要求提出中断请求的外设把一个字节的中断类型码送上数据总线，然后CPU根据该中断类型码转而去执行中断服务程序，读入数据（通过IN指令，打开三态缓冲器U4），同时复位中断请求触发器U2。中断服务完成后，再返回被中断的主程序。

    4.2.2  DMA（直接存储器存取）传送方式

    当某些外设，诸如磁盘、CRT显示器、高速模数转换器等要求高速而大量地传送数据时，采用程序控制方式来传送数据往往无法满足速度的要求，就拿程序控制方式中传送速度

最快的中断方式而言，每传送一个字节（或一个字）就得把主程序停下来，转而去执行中断服务程序，在执行中断服务程序前要做好现场保护，执行完中断服务程序后还得恢复现场。由于在程序控制方式中数据传送过程始终受CPU的干预，CPU都需要取出和执行一系列指令，每一字节（或字）数据都必需经过CPU的累加器才能输入输出，这就从本质上限制了数据传送的速度。为此提出了在外设和内存之间直接地传送数据的方式，即DMA传送方式。
    DMA（Direct Memory Access）是一种不需要 CPU干预也不需要软件介入的高速数据传送方式。由于CPU只启动而不干预这一传送过程，同时整个传送过程只由硬件完成而不需软件介入，所以其数据传送速率可以达到很高。在DMA传送方式中，对这一数据传送过程进行控制的硬件称为DMA控制器（DMA）。

    1．DMA操作的基本方法

    DMA操作的基本方法有三种：

    （1）周期挪用（Cycle stealing）。利用CPU不访问存储器的那些周期来实现DMA操作，此时，DMAC可以使用总线而不用通知CPU也不会妨碍CPU的工作。这种方法的关键是如何识别合适的可挪用的周期，以避免同CPU的操作发生重叠。有的CPU能产生一个表示存储器是否正在被使用的信号（例如M6800的VMA），有的 CPU则规定在特定状态下（例如Inte18080的T4、T5状态）不访问存储器，此时就可用于实现DMA操作。周期挪用并不减慢CPU的操作，但可能需要复杂的时序电路，而且数据传送过程是不连续的和不规则的。

    （2）周期扩展。使用专门的时钟发生器/驱动器电路，当需要进行DMA操作时，由DMA发出请求信号给时钟电路，时钟电路把供给CPU的时钟周期加宽，而提供给存储器和DMAC的时钟周期不变。这样，CPU在加宽时钟周期内操作不往下进行，而这加宽的时钟周期相当于若干个正常的时钟周期，可用来进行DMA操作。加宽的时钟结束后，CPU仍按正常的时钟继续操作。这种方法会使CPU的处理速度减慢，而且CPU时钟周期的加宽是有限制的。因此用这种方法进行DMA传送，一次只能传送一个字节。

   （3）CPU停机方式。在这种方式下，当DMA要进行DMA传送时，DMAC向CPU发出DMA请求信号，迫使CPU在现行的总线周期（机器周期）结束后，使其地址总线、数据总线和部分控制总线处于高阻态，从而让出对总线的控制权，并给出DMA响应信号。DMA接到该响应信号后，就可以控制总线，进行数据传送的控制工作，直到DMA操作完成，CPU再恢复对总线的控制权，继续执行被中断的程序。注意，采用这种方法进行的DMA传送期间，CPU处于空闲状态，会降低CPU的利用率，而且会影响CPU对中断（包括不可屏蔽中断）的响应和动态hAM的刷新，这是需要加以考虑的。但在实际应用中，这是最常用、最简单的传送方式，大部分DMA都采用这种方式。

    2．DMA的传送方式

    通常，大部分DMA都有三种DMA传送方式：

    （1）单字节传送方式。每次DMA传送只传送一个字节的数据，传送后释放总线由CPU控制总线至少一个完整的总线周期。以后又测试DMA请求线DREQ，若有效，再进入DMA周期。在这种方式中要注意：①在DMA响应信号DACK有效前，DREQ必须保持有效；②若DREQ在传送过程中一直保持有效，在两次传送之间也必需释放总线。

    （2）成组传送方式。一个DMA请求可以传送一组信息，这一组信息的字节数由编程决定（在DMA初始化时），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一直不放弃总线控制权，直到整个数组传送完。

    （3）请求传送方式。又称查询传送方式。该方式的传送类似于成组传送方式，但每传送一个字节后，DMA就检测DRFQ，若无效，刚挂起；若有效，继续DMA传送，直到：①一组信息传送结束；②外加信号强制DMA中止操作。

    3．DMAC（DMA控制器）的基本功能

    在DMA操作中，DMAC是控制存储器和外设之间高速传送数据的硬件电路，是一种完成直接数据传送的专用处理器，它必需能够取代CPU和软件在程序控制传送中的各项功能，因此DMA应该具有如下功能：

    （1）能接受外设的DMA请求信号DREQ，并能向外设发出DMA响应信号DACK；

    （2）能向CPU发出总线请求信号（HOLD或BUSRQ），当CPU发出总线响应信号（HLDA或BUSAK）后能接管对总线的控制权，进入DMA方式；

    （3）能发出地址信息，对存储器寻址并修改地址指针；

    （4）能发出读、写等控制信号，包括存储器访问信号和I／O访问信号；

    （5）能决定传送的字节数，并能判断DMA传送是否结束；

    （6）能发出DMA结束信号，释放总线，使CPU恢复正常工作。

    具有上述功能的DMA工作示意图如图4-8所示。

    该电路的工作过程如下：当输入设备准备好一个字节数据时，发出选通脉冲STB，该信号一方面选通“数据缓冲寄存器”U2，把输入数据通过U2送入“锁存器”U3；另一方面将“DMA请求触发器” U1置“1”，作为锁存器U3的准备就绪信号READY，打开锁存器U3，把输入数据送上数据总线；同时DMA请求触发器U1向DMA发出DMA请求信号。然后，DMA向CPU发出HOLD（总线请求）信号，CPU在现行总线周期结束后给予响

 图4-8 DMA工作示意图

应，发出HLDA信号，DMAC接到该信号后接管总线控制权，发出DMA响应和地址信息，并发出存储器写命令，把外设输入数据（经缓冲器U2、锁存器U3暂存在系统数据总线上）写到内存，然后修改地址指针，修改计数器、检查传送是否结束，若未结束，则循环传送直至整个数据块传送完。在整个数据传送完后，DMA撤除总线请求信号HOLD。在下一个T周期的上升沿，使HLDA变为无效。上述过程如图4-9的波形图所示。

图4-9 DMA工作过程波形图