微型计算机原理及应用学习笔记 数据传送的控制

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，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。