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  • 汇编学习笔记(10)-IO端口与指令

    一、什么是IO端口

      计算机上有很多输入输出设备,比如显示器,打印机,鼠标,键盘。这些设备通过接口和CPU相连接,并提供了一组寄存器给CPU用于控制对应的硬件,为了方便管理这些寄存器,CPU给这个寄存器统一分配地址,如管理内存一样使用这些寄存器,这就称之为IO端口。

    二、IO端口输入输出指令

      80x86的IO端口编址和内存编址是分开的,使用一组特殊的命令访问IO端口,注意的输入输出是对CPU而言的,比如输入指的是数据进入CPU,相反输出指的是从CPU输出数据到IO端口

         输入指令

             IN AL, 立即数

             IN AX, 立即数

             IN AL,DX

             IN AX,DX

             以上指令是将指定IO端口数据读取到AL或者AX中保存 

            传输的数据可以是一个字或一个字节,可以使用立即数寻址或者使用间接寻址(只能使用DX寄存器)。使用立即数寻址寻址范围只能是一个字节(8位),使用DX寻址可以是16位。

         输出指令

            Out 立即数,AL

            Out port, ax

            Out dx,al

            Out dx,ax

             以上指令是将AL 或者AX中的数据保存到指定的IO端口中。

        其他限制和In指令一样

      简单例子:

        主板上有一块RT/CMOS RAM,里面保存了一些时间信息,可以使用IO端口进行访问,分配的地址是70H-7FH。我们可以使用IN,OUT指令来读取它。

        地址是70H-7FH,一共16个地址也就是说一共是16个寄存器,但是CMOS中存储了64字节的数据,所以就不可能一一对应了,必须使用一些方法了。

        方法是这样的,CMOS将这16个寄存器分为 控制寄存器 数据寄存器 两种寄存器.

        其中端口号70的寄存器是控制寄存器,71则是数据寄存器

             将要访问的CMOS中的数据的偏移传入 70号IO端口即可在71号IO端口读取到对应的数据。

           读数据

           MOV AL,N            ; 选择要读取的数据

           OUT 70H,AL          ; 将地址传入70 IO端口

           JMP $+2               ; 这条指令是用来拖延时间的,稍后解释作用

           IN AL,71h             ; 从71 IO端口读出数据

     

           写数据

           MOV AL,N            ; 选择要读取的数据

           OUT 70H,AL          ; 将地址传入70 IO端口

           JMP $+2               ; 这条指令是用来拖延时间的,稍后解释作用

           MOV AL, x            ; 将要写的数据闯入AL寄存器

           IN AL,71h             ; 从71 IO端口读出数据

     三、数据传送方式

      1.无条件传送方式

    以上我们使用的都是无条件传送方式,直接使用IN OUT指令进行数据读取。但是这会遇到一些问题,那就是同步问题,CPU的指令执行速度是非常之快的,而外设一般来说会比CPU的速度慢好几个量级。

    就拿上面的例子做解释

    运行命令 OUT AL,70H之后,CMOS会将 指定位置的数据放置到71H端口。紧接着CPU就执行IN AL,71H指令去读取数据了。因为 CMOS准备数据是CMOS自己的事情不需要CPU的参与,所以这是个异步的操作,会有一个先后的顺序,即如果CMOS的速度比CPU慢,CPU去读71的数据的时候CMOS实际上还没来得及将数据准备好,这样CPU读到的数据就是错误的了。

    这也就解释了为什么上面的代码中存在一个JMP指令,这个JMP指令就是拖延CPU的时间,以保证CMOS能将数据准备好。

    但是其实这个很不保险,因为我们还是不能保证拖延一个指令周期就够了。

    所以有第二种数据存送方式: 查询方式

      2.查询方式

    前面介绍了无条件存送方式存在的一个弊端,即速度不同的设备同步的问题,而查询方式解决了这个弊端,解决方案是专门使用一个寄存器用来指示操作是否完成。

    还是以前面的例子,

        MOV AL,N            ; 选择要读取的数据

        OUT 70H,AL         ; 将地址传入70 IO端口

    Loop:     JMP $+2               ; 这条指令是用来拖延时间的

                  IN AL,??                ; 这里地址?? 是因为只是做个演示,实际这个功能没有对应的标记寄存器,这依赖于具体硬件的实现

        cmp  AL, 01h        ; 检查标志,还没准备好则不停循环等待

        jnz loop                ; 如果从?? 除读取到的数据不是1那么就是诗句还没准备好继续循环

                  IN AL,71h             ; 从71 IO端口读出数据

    从上可以看出,虽然查询方式解决的同步的问题,但是这样傻循环还是有点浪费CPU性能,所以还有下一种方式

      3. 中断方式

    中断方式就是将任务交给外设,然后CPU继续做其他事情,等外设完成的时候主动通过中断来通知CPU任务完成了。

    中断具体内容将在下一节中介绍。

      4. 直接存储器传送(DMA)

    DMA是专门的硬件设备,用于将高速设备中的数据直接传输到内存。这样就可以解放出CPU的计算力使CPU可以专注与计算而不用将时间浪费在数据传输上。

    CPU只要将相关的数据传输配置设置好,这样DMA就可以总线空闲的时候来传输数据,数据传输完成之后DMA就会使用硬件中断通知CPU数据传输完成了。

    (书中没有解释如和使用DMA来传输数据,以后研究。)

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