第5章微型计算机和外设的数据传输ppt课件.ppt
,教学建议，本章重点为:为什么要用接口；CPU和输入/输出设备之间的信号；接口的功能以及在系统中的连接；中断传输的原理；DMA方式的原理；输入/输出过程中接口部件和地址总线错位连接的原理。,第5章 微型计算机和外设的数据传输,5.1 为什么要用接口,1、接口的基本概念 所谓接口是指CPU、存储器、外设之间通过总线进行连接的电路部分，是CPU与外界进行信息交换的中转站。不同的外设有不同的输入/输出接口电路。例如，键盘输入有键盘接口电路，CRT显示器有显示器输出接口电路，打印机也有打印输出接口电路等等.,微型计算机各种接口框图：,5.1 为什么要用接口,I/O接口是位于系统与外设间、用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路I/O接口的硬件分成两类：1.系统板上的I/O芯片 如定时/计数器、中断控制器、DMA控制器、并行接口等。2.I/O扩展槽上的接口控制卡 如软驱卡、硬驱卡、图形卡、声卡、打印卡、串行通信卡等。,5.1 为什么要用接口,2、接口按功能分为两类使CPU正常工作所需要的辅助电路输入/输出接口3、外部设备为什么一定要通过接口和主机相连?外部设备功能多种多样，工作原理不同外部设备的信息不同，有数字量、模拟量、开关量串并行方式不同外设速度比CPU低得多,5.1 为什么要用接口,4、接口技术的发展及分类微型计算机接口技术的发展，基本上是与微处理器的发展同步进行的。按照接口技术与接口随着微处理器的发展，可将接口电路分为四类:固定式接口电路可编程接口电路智能接口与通用外围接口功能接口板,1）、固定式接口电路,早期的微处理器多采用PMOS工艺，集成度低，系统结构与指令系统均比较简单，受半导体工艺的限制，接口芯片的集成度也不高，大都采用TTL与MSI工艺，计算机接口由小规模或中规模集成电路组合而成，要改变其功能与工作方式必须改变硬件连线才能实现，将这种简单接口电路称之为固定式接口电路,2)、可编程接口电路,16位微处理器（例如8086CPU）的出现，使微型计算机的发展进入了第二代，第二代微处理器采用了NMOS工艺，集成度明显提高，Intel公司推出的与此相适应的接口芯片有中断控制器8259A，并行I/O接口芯片8255A，定时/计数器82538254，DMA控制器8237A以及串行通信接口芯片8250等，这些芯片都是采用NMOS工艺的大规模集成（LSI）芯片，而且都是可编程的接口芯片，用户可以通过对接口芯片的在线编程，方便灵活地改变接口的工作方式,3)、智能接口与通用外围接口,Intel公司于1985年首次推出第三代微处理器80386，1989年又推出X86系列的第四代微处理器80486，这时代的芯片大都是采用了NMOS或CMOS工艺的超大规模集成（VLSI）芯片。与此相应，也开发出了大批集成度更高的接口器件。这一时期接口芯片的显著特点是应用了单片机作通用接口，使接口电路智能化 智能化接口集单片机技术与接口技术于一体，可直接与外围设备相连，它是一种结构与功能接近于CPU的专用控制器，有独立的指令系统，通过编写完整的I/O管理程序和预处理程序，来实现对许多外设频繁的I/O进行管理，从而减轻了CPU管理I/O设备的负担，大大提高了微机系统的运行速度,4)、功能接口板,由于微型计算机使用了各种统一的总线标准，例如：ISA、PCI、SCSI、USB等各种总线，因而从电气特性、机械特性及通信协议等方面都已标准化，开发商已为各种总线开发出了不同功能的专用接口板，可供用户选购，例如：PCI总线的ADC和DAC功能板，PCI的网卡，基于PCI的RS-232串行通行卡等,5.2CPU和输入/输出设备之间的信号,数据信息数字量模拟量开关量状态信息控制信息,都是通过数据总线传送三种信息对应不同的寄存器,5.3接口部件的I/O端口,I/O端口 是 I/O接口中可通过编程实现寻址并进行读写的寄存器。CPU 与外设之间交换信息具体是通过I/O端口来进行的。一个外设与CPU交换信息往往需要几个端口：数据端口 控制端口 状态端口编址方式有两种,有时可以合用,5.3接口部件的I/O端口,5.3接口部件的I/O端口,CPU与外设通过I/O接口通信示意图,I/O端口地址分配 PC微机是根据上述I/O接口的硬件分类，把I/O空间分成两部分。PC微机I/O地址线可有16根，对应的I/O端口编址可达64K字节，其端口地址译码是采用部分译码法，即只使用了低10位地址线一个A0A9，故其I/0端口地址范围是0000H003FFH,总共只有1024个端口。,表1 系统板上接口芯片的端口地址I/O芯片名称 端口地址DMA控制器1 00001FHDMA控制器2 0C00DFH DMA页面寄存器 08009FH中断控制器1 02003FH中断控制器2 0A00BFH定时器 04005FH并行接口芯片（键盘接口）06006FHRT/CMOS RAM 07007FH 协处理器 0F00FFH,表2 扩展槽上接口控制卡的端口地址I/0接口名称 端口地址游戏控制卡 20020FH并行口控制卡1 37037FH并行口控制卡2 27027FH串行口控制卡1 3F83FFH串行口控制卡2 2F02FFH原型插件板（用户可用）30031FH同步通信卡1 3A03AFH同步通信卡2 38038FH单显MDA 3B03BFH彩显CGA 3D03DFH彩显EGG/VGA 3C03CFH硬驱控制卡 1F01FFH软驱控制卡 3F03F7HPC网卡 36036FH,I/O端口地址选用的原则凡是被系统配置占用了的地址一律不能使用；未被占用的地址，用户可以使用，但申明保留的地址，不要使用。用户可使用300H31FH地址。,1、接口的功能寻址功能输入/输出功能数据转换功能联络功能中断管理功能复位功能可编程功能错误检测功能,5.4 接口的功能以及在系统中的连接,2、接口与系统的连接,用读信号、写信号和地址A0区分4个寄存器,高位地址和M/IO信号经译码器形成片选信号,例1：使用74LS20/30/32和74LS04设计I/O端口地址为2F8H的只读译码电路。分析：若要产生2F8H端口地址，则译码电路的输入地址线就应具有如下所示的 值。译码电路输入地址线的值地址线 0 0 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 二进制 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 十六进制 2 F 8,译码电路输入：地址线:10根,地址值：2F8H A9A0=1011111000B 控制线：AEN=0 IOR=0 译码电路输出：Y=0 为译码选中。,/AEN是总线选通信号,当执行指令：MOV DX，2F8H I N AL，DX 时，Y=0，对应端口被选中,4、32位微处理器采用I/O编址的译码电路,A、8位数据端口与低8位数据线的连接,B、8位数据端口与32位数据线的连接,例如：MOV DX，3E0HIN AL，DX；BE0*有效，只读端口IN AX，DX；BE1*、BE0*有效，；读端口1与读端口IN EAX，DX；BE3*BE0*均有效，；读端口3端口,5.5CPU和外设之间的数据传送方式,程序方式无条件传送方式条件传送方式中断方式DMA方式,5.5.1程序方式,无条件传送方式,最简单的I/O控制方式，CPU可以随时根据需要无条件地读写I/O端口外设要求：简单，数据变化缓慢，操作时间固定，如一组开关或LED显示管。外设被认为始终处于就绪状态接口特点CPU的DBI/O接口(输出锁存器)外设CPU的DBI/O接口(输入缓冲器)外设,无条件传送方式 编程,例START:MOV DX，INPORTIN AL，DX；读入按键状态TEST AL，01H；判断最低位按键 JNZ K1；最低位按键没闭合，转MOVAL，01H；最低位发光JMPDISPK1：TEST AL，02H；JNZ K2；次低位按键没闭合，转MOVAL，03H；最低2位发光JMPDISP.,DISP:MOV DX，OUTPORTOUT DX，AL；JMP START,31,5.5.1程序方式,条件传送方式也叫查询方式,接口特点：避免了对端口的“盲读”、“盲写”，数据传送的可靠性高，并且硬件接口相对简单。缺点是CPU工作效率低，I/O响应速度慢；,外设要求：状态口和数据口,在有多个外设的系统中，CPU的查询顺序由外设的优先级确定,一种CPU主动、外设被动的I/O操作方式，很好地解决了CPU与外设之间的同步问题,5.5.1程序方式,条件传送方式的三个环节CPU从接口中读取状态字。CPU检测状态字如“就绪”状态，则传送数据。,5.5.1程序方式,图5.4 查询式输入的接口,1,2,3,4,5,?,5.5.1程序方式,图5.5 查询式输出的接口,5.5.1程序方式,图5.6 查询式输入过程的流程图,查询的例子 1,DATA_SEGSEGMENTMESSAGEDBBUFFER OVERFLOW，0DH，0AHATA_SEGENDSCOM_SEGSEGMENTBUFFERDB82DUP(?)COUNTDB?COM_SEGENDSCODESEGMENTASSUMEDS：DATA_SEG，ES：COM_SEG，CS：CODESTAT：MOVAX，DATA_SEGMOVDS，AXMOVAX，COM_SEGMOVES，AXMOVDI，OFFSET BUFFERMOVCOUNT，DIMOVCX，81CLD,查询的例子 2,NEXT_IN：INAL，56H TESTAL，02H JZNEXT_ININAL，52HORAL，0JPENO_ERRORJMPERRORNO_ERROR：ANDAL，7FH STOSBMOVCX，17LOOPNENEXT_INJNEOVERFLOWMOVAL，0AH STOSBSUBDI，COUNTMOVCOUNT，DI,查询的例子 3,OVERFLOW：MOVSI，OFFSET MESSAGEMOVCX，17NEXT_OUT：INAL，56HTESTAL，01HJZNEXT_OUTLODSBOUT54H，ALLOOPNEXT_OUT,多个入设备轮流查询的例子,TREE_IN：MOVFLAG，0INPUT：INAL，STAT1TESTAL，20HJZDEV2CALLPROC1CMPFLAG，1JNZINPUTDEV2：INAL，STAT2TESTAL，20HJZDEV3CALLPROC2CMPFLAG，1JNZINPUTDEV3：INAL，STAT3TESTAL，20HJZNO_INPUTCALLPROC3NO_INPUT：CMPFLAG，1JNZINPUT,3个设备处于相同优先级的循环查询程序，,INTREE：MOVFLAG，0INPUT：INAL，STAT1TESTAL，20HJZDEV2CALLPROC1DEV2：INAL，STAT2TESTAL，20HJZDEV3CALLPROC2DEV3：INAL，STAT3TESTAL，20HJZNO_INPUTCALLPROC3NO_INPUT：CMPFLAG，1JNZINPUT,多个外设的查询,CPU周期性地依次查询每个外设的状态优先权决定了查询次序不具有实时性,42,5.5.2 中断方式,接口特点：避免了CPU 反复低效率的查询，适用于CPU任务繁忙、而数据传送不太频繁的系统中。缺点是硬件电路和处理过程都比较复杂;（中断控制芯片）,CPU被动而外设主动的I/O操作方式，较大地提高了CPU的工作效率，并使系统具有了实时处理功能,5.5.2 中断方式,中断传送方式的原理,图5.7 中断方式输入的接口,5.5.2 中断方式,中断传送方式的原理,图5.8 可屏蔽中断的响应和执行,5.5.2 中断方式,中断优先级问题的解决,图5.9 典型的可编程中断控制器,5.5.3 DMA方式,DMA控制方式(存储器直接存取):内存与外设间有大量数据交换时，采用中断方式，每传送一次数据，就必须经历中断处理的全部步骤，而且一般需要借助CPU内部的寄存器作为中介DMA方式：不用CPU的寄存器作传数中介,完成存储器和外设间的直接传数，CPU必须将系统总线的控制权让给DMAC.,5.5.3 DMA方式,DMA控制器的功能和DMA传送的原理,图5.10 用DMA方式传输单个数据(输出过程),5.5.3 DMA方式,DMA控制器的内部最小配置和接口要求,5.5.3 DMA方式,DMA方式从接口往内存传输一个数据块，将按下面的过程动作：发一个DMA请求。发总线请求 地址寄存器的内容送到地址总线上。发确认DMA传输的信号。数据送到地址总线所指出的内存单元。地址寄存器的值加1。字节计数器的值减1。如字节计数器的值不为0，则回到;否则结束,5.5.3 DMA方式,启动数据块输入的程序段IDLE:INAL，INTSTATTESTAL，04JNZIDLEMOVAX，COUNTOUTBYTE-REG,AXLEAAX，BUFFEROUTADD-REG，AXMOVAL，DMACONORAL，49HOUTDMACON，ALMOVAL，INTCORAL，05HOUTINTCON，AL,5.5.3 DMA方式,DMA控制器的工作特点一方面是一个接口另一方面能够控制系统总线,5.5.4 输入/输出过程中涉及的几个问题,系统和接口的联系方式：优先级：软 硬缓冲区：入 出 双 多接口和多字节数据总线的连接：总低8位接口部件和地址总线的错位连接：总线A1接接口的A0,
