Chapter 3 Basic Input/Output(2)

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Communication Methods with CPU	与 CPU 的通信方法
Program controlled I/O (Polling)	程序控制输入/输出（轮询）
Interrupt driven I/O	中断驱动输入/输出
Direct Memory Access (DMA)	直接内存访问（DMA）

程序控制I/O(Program Controlled I/O)

基于键盘和显示器讨论I/O相关问题：
- 需要读取键盘输入的字符，将其存储到内存中，然后在屏幕上显示出来。
程序控制I/O实现方式：
- 通过编写一个能执行所有相关功能的程序来完成上述任务，这种方式就被称作程序控制I/O。
关键问题：
- 如何确保操作的正确时机以及设备之间传输的同步性呢？也就是怎样保证在合适的时间去执行读取、存储、显示等操作，让键盘、内存和显示器这些设备之间的数据传输能够有条不紊、相互配合地进行，这是程序控制I/O需要着重考虑的方面。

I/O设备的信号协议

“就绪”信号发送机制假设：假设输入/输出设备具备向处理器发送“就绪”信号的途径。
不同设备中“就绪”信号的含义及对应操作：
- 对于键盘而言：“就绪”信号意味着此时有字符可以被读取了，这样处理器就能使用加载（Load）指令去访问相应的数据寄存器，进而获取键盘输入的字符。
- 对于显示器来说：“就绪”信号表示此时可以发送字符去进行显示了，处理器便会使用存储（Store）指令来访问数据寄存器，把要显示的字符发送过去。
“就绪”信号的本质及处理器的处理方式：在每种情况下，这个“就绪”信号其实就是状态寄存器里的一个状态标志位，处理器会通过轮询的方式来查看这个状态标志位，以此知晓设备是否处于“就绪”状态，进而决定是否进行相应的数据传输操作。

示例输入/输出寄存器

寄存器相关设定假设：对于接下来的示例输入/输出程序，假定寄存器有着特定的地址以及位的位置情况。并且这些寄存器的宽度为8位，按字对齐（也就是按照系统规定的字长边界来存放，便于处理器高效访问等操作）。
以键盘为例说明寄存器情况及处理器操作：例如，键盘在地址为0x4004的“KBD_STATUS（键盘状态）”寄存器的第1位（b1）上有一个“KIN（键盘输入就绪）”状态标志位。处理器会轮询“KBD_STATUS”寄存器，去检查“KIN”标志位的值是0还是1。一旦发现“KIN”标志位的值为1，这就意味着键盘有输入数据准备好可以读取了，此时处理器就会去读取“KBD_DATA（键盘数据）”寄存器，从而获取键盘输入的具体数据内容。

等待循环用于轮询I/O状态

（一）

通过等待循环轮询键盘状态寄存器实现程序控制I/O：
- READWAIT步骤：
  - 首先将键盘状态寄存器（KBD_STATUS）的内容加载到寄存器R4中，使用指令“LoadByte R4, KBD_STATUS”。
  - 然后让R4与数值2进行按位与操作（“And R4, R4, #2”），目的是检测键盘相关的某个标志位（可能是表示有键按下之类的标志，这里假设叫KIN标志）是否被置位。
  - 如果上述与操作的结果为0，也就是KIN标志没被置位，意味着还没有有效的键盘输入，那就跳转到READWAIT处继续循环等待（“Branch_if _[R_4] = 0 READWAIT”）。
  - 一旦检测到KIN标志被置位，就从键盘数据寄存器（KBD_DATA）中读取数据到寄存器R5中（“LoadByte R5, KBD_DATA”）。
- 键盘电路相关操作：键盘电路会在有字符输入时将字符放入KBD_DATA寄存器，并且会在键盘状态寄存器（KBD_STATUS）中设置KIN标志。当从KBD_DATA寄存器读取了数据后，电路会自动清除KIN标志。

（二）

类似的针对显示设备的等待循环：
- WRITEWAIT步骤：
  - 先把显示状态寄存器（DISP_STATUS）的内容加载到寄存器R4中，指令为“LoadByte R4, DISP_STATUS”。
  - 接着让R4与数值4进行按位与操作（“And R4, R4, #4”），这可能是为了检测显示相关的某个标志位（假设叫DOUT标志，可能表示上一个字符已显示完成之类的情况）是否被置位。
  - 如果与操作的结果为0，也就是DOUT标志没被置位，意味着还不能向显示设备写入新数据，那就跳转到WRITEWAIT处继续循环等待（“Branch_if _[R_4]= 0 WRITEWAIT”）。
  - 当检测到DOUT标志被置位后，就可以将需要显示的数据从寄存器R5写入到显示数据寄存器（DISP_DATA）中了（“StoreByte R5, DISP_DATA”）。
- 显示电路相关操作：显示电路会在上一个字符已经被显示之后，在显示状态寄存器（DISP_STATUS）中设置DOUT标志。当有字符被传送到DISP_DATA寄存器时，电路会自动清除DOUT标志。

RISC风格的I/O程序

（一）

程序功能概述：需着眼于利用轮询机制来读取、存储以及显示一行字符的完整程序。这意味着程序要能实时监控输入、妥善保存字符，再精准地将它们呈现出来。
程序结束条件：当在键盘上敲入回车（CR）字符时，整个程序随即结束。回车符充当程序终止的关键信号，方便界定单次字符输入任务的完结。
字符回显要求：从键盘录入的每个字符，都要实时在显示屏上原样呈现，达成“所见即所输”的即时反馈效果，增强人机交互的直观感受。
存储地址要点：LOC 代表存储行中首个字符的地址，找准这个起始地址，后续对该行字符的调取、处理与运用才能有条不紊地展开，维系存储与读取操作的连贯性与准确性。

（2）

寄存器初始化与常量设定：
- Move R2,#LOC：将主存中用于存储字符的首地址赋值给指针寄存器 R2，此举为后续字符存储找准起始位置，让存入的字符能有序排列在内存指定区域。
- MoveByte R3,#CR：把代表回车（Carriage Return）的 ASCII 码值存入寄存器 R3，方便后续比对输入字符，判断程序是否该结束。
键盘字符读取流程：
- READ：这是读取键盘字符的关键代码段起始标签。
- LoadByte R4,KBD_STATUS：加载键盘状态寄存器 KBD_STATUS 的内容至 R4，目的是获取键盘当下状态信息。
- And R4,R4,#2：让 R4 和数值 2 进行按位与运算，借此检查键盘的 KIN 标志，该标志用于提示是否有新字符输入。
- Branch if [R4]=0 READ：若 R4 值为 0，意味着 KIN 标志未置位、无新字符，程序跳转回 READ 处持续等待。
- LoadByte R5,KBD_DATA：一旦检测到 KIN 标志置位，就从键盘数据寄存器 KBD_DATA 读取字符至 R5，同时该读取操作会自动将 KIN 清 0。
- StoreByte R5,(R2)：把刚读到的字符存入 R2 指向的主存位置，完成字符的初步存储。
- Add R2,R2,#1：指针寄存器 R2 的值加 1，使其指向下一个可存储字符的内存地址，为后续字符存储腾挪空间。
字符显示流程：
- ECHO：这是负责字符显示流程的代码段起始标签。
- LoadByte R4,DISP_STATUS：读取显示状态寄存器 DISP_STATUS 内容到 R4，用于掌握显示设备的实时状态。
- And R4,R4,#4：和数值 4 进行按位与运算，检查显示设备的 DOUT 标志，该标志用于表明显示设备是否就绪，能否接收新字符。
- Branch if [R4]=0 ECHO：若 R4 值为 0，意味着 DOUT 标志未置位、显示设备没准备好，程序跳转回 ECHO 接着等待。
- StoreByte R5,DISP_DATA：当 DOUT 标志置位，将之前读取并存于 R5 的字符存入显示缓冲区寄存器 DISP_DATA，同时这一操作会把 DOUT 清 0。
程序循环与结束判断：
- Branch if [R5]≠[R3] READ：比对刚存入显示缓冲区的字符与寄存器 R3 中的回车 ASCII 码，若两者不等，说明输入字符不是回车，程序跳转回 READ，继续读取下一个字符；若相等，则程序结束，意味着完整的一行字符输入完毕，收到终止信号。