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微型计算机原理及应用学习笔记 数据传送的控制方式

在计算机的操作过程中,最基本和最大量的操作是数据传送。在微机系统中,数据主要在CPU、存储器和I/O接口之间传送,在数据传送过程中,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,即程序控制传送方式和DMA传送方式。
    一、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人或输出程序(传送指令和I/O指令)实现数据的传送。这种数据传送方式的传送速度较低,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。
    (一)无条件传送方式
    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作好了准备,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6—9所示。这是一个同步传送的数据采集系统,图中K5为继电器(K5a为继电器的8个控制触点,K5b为继电器的8个线圈),继电器线圈L0、L1、…、L7控制8个触点逐个接通,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11H)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LO~L7中电流的通断,继而控制继电器触点的吸合,以实现对不同通道模拟量的采集(“0”使线圈L电流“断”,“1”使线圈L电流“通”)。
  以下程序可以用来实现图6—9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 DELAYl     ;模拟继电器触点的释放时间
    MOV AL,DH
    OUT 20H,AL    、      ;使L0吸合
    CALL NEAR DELAY2     ;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
 
(二)查询传送方式
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/输出指令,进行一次数据传送。
一个查询传送的例子如图6-10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选择后送人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b2blb0=000时选通IN0输入A / D转换器,当b2blb0=111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,READY端输出有效信号(高电平)经过状态端口U2(端口地址为02H)的bo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。
根据上述要求,可编写如下数据采集程序:
START:  MOV DL,0F8H    ;设置启 动A/D转换的信号
         MOV DI,OFFSET DSTOR    ;输人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INo
 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,输人数据
        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
  
(三)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”机制,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,而不是象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。
中断传送方式的接口电路如图6—11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Ul,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。若无其他设备的中断请求,在CPU开中(即IF=1)的情况下CPU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,发出中断响应信号前一单元fix = v ns = "urn:schemas-microsoft-com:vml" />前一单元ferrelative="t" o:spt="75" coordsize="21600,21600"> ,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,读人数据(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。
 二、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)都得把主程序停下来,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,这就从根本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(DirectMemoryAccess)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只起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(DMAC)。
 (一)DMA操作的基本方法
DMA操作的基本方法有三种:
  1.周期挪用(CycleStealing)
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Intel8080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DMAC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DMAC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。DMAC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RAM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DMAC都采用这种方式。
(二)DMA的传送方式
通常,大部分DMAC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DMAC初始化时),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一直不放弃总线控制权,直到整个数组传送完。
3.请求传送方式
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,DMAC就检测DREQ,若无效,则挂起;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DMAC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DMAC工作示意图如图6-12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,把输人数据通过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DMAC发出DMA请求信号。然后,DMAC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。在整个数据块传送完后,DMAC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6—13的波形图所示。

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