10.0 输入输出技术和编址方式以及DMA技术

10.0 输入输出技术和编址方式以及DMA技术

第 10 章 输入/输出技术

输入/输出接口概述

微型计算机不能直接和所有外部设备通信，因为外设种类很多，速度、数据格式、电平、工作方式都不一样。

所以 CPU 和外设之间通常需要一个中间电路：

CPU ↔ I/O 接口电路 ↔ 外部设备

I/O 接口电路的作用就是让 CPU 和外部设备之间能够可靠交换数据。

1. 输入/输出接口电路

1.1 什么是输入/输出设备

输入设备的作用：把外部信息转换成计算机能识别的数据形式

例如：键盘，A/D 转换器，扫描仪，传感器

输出设备的作用：把计算机处理后的数据转换成人或其他设备能识别的形式

例如：显示器，打印机，投影仪，D/A 转换器，执行机构

1.2 为什么需要 I/O 接口

外设不能直接接到 CPU 上，主要原因有：

1. 速度不匹配 2. 数据格式不匹配 3. 电平或功率不匹配 4. CPU 与外设工作时序不一致 5. 外设种类多，控制方式不同

所以需要 I/O 接口在中间做转换、缓冲和协调。

1.3 I/O 接口电路的一般结构

I/O 接口一般包含：

数据输入寄存器 数据输出寄存器 控制寄存器 状态寄存器

可以整理成：

1.4 I/O 接口与总线的关系

I/O 接口一边连接系统总线，另一边连接外设。

系统总线通常包括：

数据总线 地址总线 控制总线

外设侧通常还会有：

数据信号 控制信号 状态信号

所以 I/O 接口可以理解为：对 CPU：像一个可以读写的寄存器组 对外设：负责收发数据、控制状态、匹配时序

1.5 I/O 接口的主要功能

I/O 接口主要完成以下功能：

1. 数据缓冲 2. 数据格式转换 3. 速度匹配 4. 电平和功率匹配 5. 设备选择和地址译码 6. 控制信号产生 7. 状态信息保存 8. 中断或 DMA 请求产生

可以一句话记：I/O 接口就是 CPU 和外设之间的数据通道、控制通道和状态通道。

2. CPU 与外设间的数据输入/输出方式

CPU 与外设之间的数据传送方式主要有四种：

1. 程序控制方式 2. 中断控制方式 3. DMA 方式 4. I/O 处理机方式

其中程序控制方式又分为：无条件传送方式，查询传送方式

2.1 程序控制的输入/输出方式

程序控制方式的特点是：数据传送过程由 CPU 执行程序直接控制。

也就是说，CPU 主动去读外设或写外设。

2.1.1 无条件传送方式

无条件传送方式是最简单的 I/O 控制方式。

它的基本思想是：

默认外设已经准备好， CPU 不检查状态， 直接进行输入或输出。

例如：

CPU 认为输入设备已经有数据 CPU 直接执行 IN 指令读取数据 或者 CPU 认为输出设备已经空闲 CPU 直接执行 OUT 指令输出数据

无条件传送方式的使用条件

这种方式必须满足：外设什么时候准备好是确定的或者外设速度足够快 或者 CPU 可以通过延时保证外设已经准备好

例如定时控制的简单设备，可以用这种方式。

无条件传送方式的优点

硬件简单 程序简单 不需要状态端口 不需要查询外设状态

无条件传送方式的缺点

可靠性较差，必须准确估计外设准备时间 等待时间通常要按最坏情况设计，CPU 可能白白等待，效率较低

2.1.2 查询传送方式

查询传送方式也叫程序查询方式。

它的基本思想是：

CPU 在传送数据前，先读取外设状态。 如果外设准备好，就传送数据； 如果没有准备好，就继续查询等待。

流程可以写成：

读取状态寄存器 判断 Ready 位 Ready = 0，继续查询 Ready = 1，执行数据传送

查询方式需要什么硬件

查询方式下，I/O 接口中除了数据寄存器外，还要有：状态寄存器，状态标志位

例如：输入设备是否有数据 输出设备是否空闲 是否出错 是否忙

查询方式的优点

比无条件传送可靠 能协调 CPU 和慢速外设之间的速度差异 硬件仍然比较简单

查询方式的缺点

CPU 要反复查询外设状态 浪费 CPU 时间 CPU 在等待期间不能做其他有用工作 系统效率低

所以查询方式适合：

外设数量少 速度要求不高 程序比较简单 CPU 空闲时间较多

2.2 中断控制方式

查询方式的问题是 CPU 一直等外设，效率低。

中断方式的思想是：

CPU 不主动等待外设。 外设准备好以后，主动向 CPU 发中断请求。 CPU 响应后再去执行对应的中断服务程序。

2.2.1 中断方式的过程

可以写成：

CPU 正常执行主程序 外设准备好 外设向 CPU 发出中断请求 CPU 暂停当前程序 CPU 转去执行中断服务程序 完成数据输入/输出 CPU 返回原程序继续执行

2.2.2 中断方式的优点

CPU 不需要反复查询外设 提高 CPU 利用率 允许 CPU 和多个外设并行工作 实时性较好 适合随机发生的外设请求

例如：键盘按键 串口接收数据 定时器溢出 外部传感器触发

2.2.3 中断方式的缺点

硬件和软件比查询方式复杂 需要中断控制逻辑 需要中断服务程序 需要保护和恢复现场 多个中断源时还要处理中断优先级

2.2.4 中断和查询方式对比

一句话记：查询方式是 CPU 去找外设；中断方式是外设来找 CPU。

2.3 DMA 工作方式

DMA 全称：Direct Memory Access直接存储器存取

DMA 的核心思想是：外设和内存之间直接交换数据， 不需要 CPU 一条一条执行 IN/OUT 指令搬运。

2.3.1 为什么需要 DMA

如果不用 DMA，从外设向内存传一批数据，通常要：

CPU 从外设读一个数据，CPU 把数据写入内存 CPU 修改地址，CPU 修改计数 重复上述过程

这会浪费大量 CPU 时间。

DMA 则让：外设 ↔ 内存直接传送数据。

CPU 只需要：初始化 DMA 控制器，启动 DMA DMA 完成后 CPU 再处理结果

2.3.2 DMA 的控制者

DMA 方式下，真正控制传送的是：DMA 控制器 DMAC

DMAC 负责：控制地址总线 控制数据总线 产生读写控制信号 修改内存地址 修改传送计数 判断 DMA 是否结束

在 DMA 传送期间，CPU 通常要让出总线控制权。

2.3.3 DMA 的优点

传送速度快 适合大批量数据传送 CPU 负担小 可以提高系统整体效率

适合：

磁盘数据传输 高速 A/D 采样 声卡数据传输 网络数据传输 显示缓冲区搬运

2.3.4 DMA 的缺点

硬件复杂 需要 DMA 控制器 CPU 仍要初始化 DMA DMA 传送期间可能占用总线 需要处理总线仲裁问题

2.4 I/O 处理机方式

I/O 处理机方式简称：IOP 方式

它比 DMA 更进一步。

DMA 主要负责数据搬运，而 I/O 处理机可以负责更复杂的 I/O 操作。

2.4.1 I/O 处理机的思想

CPU 不再直接管理具体 I/O 操作，而是：

CPU 在内存中建立一个 I/O 命令块 I/O 处理机读取命令块 I/O 处理机独立完成 I/O 操作 完成后通知 CPU

2.4.2 I/O 处理机能做什么

I/O 处理机可以完成：

数据传送 数据格式转换 数据拆装 设备控制 错误检测 复杂外设管理

2.4.3 I/O 处理机方式的优点

CPU 负担更小 适合大型系统 适合复杂 I/O 任务 I/O 操作可以块为单位进行 系统并行能力强

2.4.4 四种 I/O 方式对比

可以记成：

程序控制：CPU 全管，中断方式：外设请求，CPU 服务 DMA：DMAC 搬数据，I/O 处理机：专门处理器管 I/O

3. 微处理器与 I/O 接口电路的连接

CPU 通过总线连接存储器和 I/O 接口。

需要考虑三个问题：

1. 负载能力是否匹配 2. 速度是否匹配 3. 逻辑连接是否正确

3.1 负载能力匹配

CPU 或接口芯片的输出端不能带太多负载。

如果负载超过芯片驱动能力，可能导致：

电平错误 信号变形 系统工作不可靠

所以必要时要加：

总线驱动器 缓冲器 三态门 锁存器

3.2 速度匹配

CPU 速度往往比外设快。

如果外设来不及响应 CPU 的读写周期，需要：

插入等待周期 使用 READY 信号 降低 CPU 时钟 选用速度合适的接口芯片

教材里提到 READY 引脚，就是让 CPU 插入等待周期，使慢速外设有时间完成读写。

3.3 逻辑连接正确性

CPU 和 I/O 接口连接时，必须正确连接：

地址线 数据线 读写控制线 片选信号 状态信号 中断请求信号

尤其是片选逻辑和地址译码，决定 CPU 访问哪个 I/O 端口。

4. I/O 端口的编址方式

CPU 访问 I/O 接口前，要给 I/O 接口中的寄存器分配地址。

常见方式有两种：

1. 存储器与 I/O 统一编址 2. 存储器与 I/O 独立编址

4.1 统一编址方式

统一编址也叫：存储器映像 I/OMemory-Mapped I/O

它的特点是：

把 I/O 接口寄存器当作存储单元一样编址。

也就是说，I/O 端口和内存共用同一个地址空间。

CPU 访问 I/O 端口就像访问内存一样。

例如：MOV [0FFFFH], AL

这条指令可能不是写内存，而是写某个 I/O 接口寄存器，具体取决于硬件地址译码。

4.1.1 统一编址的优点

访问 I/O 可以使用所有访存指令 指令功能强 编程灵活 I/O 接口可以和存储器共用地址译码电路 CPU 不需要专门区分访存和访外设

4.1.2 统一编址的缺点

I/O 端口占用内存地址空间 可用内存容量减少 访问 I/O 的地址通常较长 指令可能占用更多存储空间

教材里强调：8086 如果统一编址，I/O 地址要按 16 位偏移地址处理； 而专用 I/O 指令可以只用 8 位端口地址。

4.2 独立编址方式

独立编址也叫：I/O 映像 I/O， Isolated I/O， Port-Mapped I/O

它的特点是：I/O 端口和存储器使用不同的地址空间。

CPU 有专门的输入/输出指令：IN，OUT

例如：OUT 0FFH, AL IN AL, 60H

4.2.1 独立编址需要的控制信号

在 8086 系统中，访问内存和访问 I/O 由控制信号区分。

常见信号是：

M/IO RD WR 地址线 数据线

当访问存储器时：M/IO = 1

当访问 I/O 端口时：M/IO = 0

4.2.2 独立编址的优点

I/O 端口不占用内存地址空间 访存和访 I/O 控制清楚 I/O 地址可以较短 硬件译码范围可以较小

4.2.3 独立编址的缺点

只能用专门的 IN/OUT 指令访问 I/O 指令功能不如访存指令灵活 CPU 需要提供区分内存和 I/O 的控制信号

4.3 统一编址和独立编址对比

一句话记：

统一编址：I/O 像内存一样访问。 独立编址：I/O 用专门端口地址和 IN/OUT 指令访问。