在計算機(jī)的操作過程中，最基本和最大量的操作是數(shù)據(jù)傳送。在微機(jī)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)主要在CPU、存儲器和I／O接口之間傳送，在數(shù)據(jù)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(jī)并行工作的程度，微機(jī)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳送的控制方式主要有兩種，即程序控制傳送方式和DMA傳送方式。
一、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)先編制好的輸人或輸出程序(傳送指令和I／O指令)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。這種數(shù)據(jù)傳送方式的傳送速度較低，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。
(一)無條件傳送方式
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)作好了準(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6—9所示。這是一個同步傳送的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，圖中K5為繼電器(K5a為繼電器的8個控制觸點，K5b為繼電器的8個線圈)，繼電器線圈L0、L1、…、L7控制8個觸點逐個接通，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11H)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LO～L7中電流的通斷，繼而控制繼電器觸點的吸合，以實現(xiàn)對不同通道模擬量的采集(“0”使線圈L電流“斷”，“1”使線圈L電流“通”)。
  以下程序可以用來實現(xiàn)圖6—9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 DELAYl ；模擬繼電器觸點的釋放時間
MOV AL，DH
OUT 20H，AL、  ；使L0吸合
CALL NEAR DELAY2 ；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
(二)查詢傳送方式
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/輸出指令，進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳送。
一個查詢傳送的例子如圖6-10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選擇后送人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)b2blb0=000時選通IN0輸入A / D轉(zhuǎn)換器，當(dāng)b2blb0=111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，READY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bo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，0F8H；設(shè)置啟 動A/D轉(zhuǎn)換的信號
     MOV DI，OFFSET DSTOR；輸人數(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INo
 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，輸人數(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
(三)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(yùn)算的能力，在計算機(jī)系統(tǒng)中引入了“中斷”機(jī)制，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，而不是象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(jī)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。
中斷傳送方式的接口電路如圖6—11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Ul，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。若無其他設(shè)備的中斷請求，在CPU開中(即IF=1)的情況下CPU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，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，讀人數(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。
 二、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)都得把主程序停下來，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，這就從根本上限制了數(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(DirectMemoryAccess)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只起動而不干預(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(DMAC)。
 (一)DMA操作的基本方法
DMA操作的基本方法有三種：
  1．周期挪用(CycleStealing)
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Intel8080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(kuò)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DMAC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(jī)方式
在這種方式下，當(dāng)DMAC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(jī)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。DMAC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)RAM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DMAC都采用這種方式。
(二)DMA的傳送方式
通常，大部分DMAC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DMAC初始化時)，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一直不放棄總線控制權(quán)，直到整個數(shù)組傳送完。
3．請求傳送方式
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，DMAC就檢測DREQ，若無效，則掛起；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(qiáng)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DMAC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DMAC工作示意圖如圖6-12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，把輸人數(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DMAC發(fā)出DMA請求信號。然后，DMAC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)塊傳送完后，DMAC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6—13的波形圖所示。