微机系统与接口教学资料第六章.ppt
6.1概述6.2CPU与外设数据传送的方式6.3端口地址分配和译码6.4DMA控制器8237,第六章 输入/输出接口,6.1 概述,一、接口电路的分类和功能,外设必须通过接口电路与CPU相连接,数据总线,控制总线,地址总线,接口电路,外部设备,数据线,控制线,状态线,一、接口电路的分类和功能,接口电路的功能：1）缓冲锁存数据2）地址译码3）传递命令4）码制转换5）电平转换,一、接口电路的分类和功能,接口电路按通用性分为两类：通用接口和专用接口通用接口：可供多种外部设备使用的标准接口，目的是使微机正常 工作通用接口通常制造成集成电路芯片，称为接口芯片。最初的IBM-PC使用了6块接口芯片：8284、8288、8255、8259、8237、8253后来的微机将这些芯片集成为大规模集成电路芯片，称为芯片组。如82430TX芯片组，由两片芯片组成：北桥：82439TX南桥：82371AB,一、接口电路的分类和功能,二、接口电路的基本结构,接口电路通常包含一组能够与处理器交换信息的寄存器，称为I/O端口寄存器，简称为I/O端口1）数据端口存放数据信息2）状态端口存放状态信息，（忙、空闲、准备好等机器状态）即反映外设当前工作状态的信息3）控制端口存放控制信息（启动、停止等动作）,状态信息与控制信息可以广义地看作数据信息，因此可以通过数据总线传送,数据信息分数据量、模拟量和开关量三类。,接口电路组成,三、I/O端口的编址方式,I/O端口与存储单元统一编址（MOTOROLA公司68系列）I/O端口独立编址（INTEL 86 系列）PC系列机采用I/O端口独立编址方式,Port 65535Port 255,Port 3Port 2Port 1Port 0,Port 0(16位),Port 1(16位),Port 0(32位),三、I/O端口的编址方式,I/O端口与存储单元统一编址（MOTOROLA公司68系列）,三、I/O端口的编址方式,I/O端口独立编址（INTEL 86 系列）,三、I/O端口的编址方式,端口地址是一种重要资源,三、I/O端口的编址方式,端口的寻址把端口地址放在DX寄存器中，对该端口进行读写INAL,DX(8位)或 IN AX,DX(16位)OUT DX,AL(8位)或 OUT DX,AX(16位),可寻址的端口号为065535(FFFFH),端口地址小于或等于FFH(255)，可以用立即数表示端口地址IN AL,42H(8位)或 IN AX,42H(16位)OUT 43H,AL(8位)或 OUT 43,AX(16位),6.2 CPU与外设数据传送的方式,1.程序传送方式2.中断传送方式3.DMA传送方式,无条件传送程序查询传送（条件传送）,一、程序传送方式,（一）无条件传送,CPU与外设间的数据交换在程序控制下进行,不查询外设状态，认为外设已经准备就绪，直接与外设传送数据,外设准备就绪：对于输入设备，已经把数据放入接口电路的数据输入寄存器，CPU可以读取；对于输出设备，已经准备好接收数据（接口电路的数据输出寄存器已空），CPU可以向它输出数据,由于不查询外设状态，接口电路不需要状态寄存器,输入方式,输出方式,IN AL,0A0H,OUT 0A1H,AL,A1,例：采用同步传送系统,查询式输入接口电路,（二）条件传送,查询式输出接口电路,Poll:In al,S_port Test al,80h Jnz poll mov al,store Out D_port,al,例：采用查询方式传送的数据采集系统,Start:mov dl,0f8h；1111,1000 启动A/D转换 lea di,detor；输入数据存放地址 Again:mov al,dl；and al,0efh；1110,1111，AL=1110,1000 out 4,al；停止A/D转换，并选择模拟量A0 call delay；mov al,dl；AL=1111,1000 out 4,al；启动A/D转换,poll:in al,2；输入状态信息 shr al,1；jnc poll；若未Ready,等待 in al,3；否则，输入数据 stosb；将数据存入内存 inc dl；取下一个模拟量 jne again；,状态端口,程序查询传送的小结,在执行输入输出前，要先查询接口中状态寄存器的状态。输入时，状态寄存器的状态指示要输入的数据是否已经准备就绪输出时，状态寄存器的状态指示输出设备是否空闲,图1.6 程序查询方式流程图,二、中断传送方式,使用查询方式，CPU必须检测接口电路的状态寄存器，如果设备未准备好，CPU就要不断地查询，降低了CPU的运行效率中断方式：当外设作好传送准备后，主动向CPU请求中断，CPU响应中断后在中断处理程序中与外设交换数据。若外设未准备好，CPU可以执行其他程序，提高了CPU的利用率每条指令完成后，CPU均可响应中断，因此当设备准备好时，可及时与CPU交换数据，提高了实时性,三、DMA传送方式,对于高速外设（如磁盘、高速A/D），中断方式不能满足数据传输速度的要求。DMA=Direct Memory Access直接存储器访问DMA方式是一种由专门的硬件电路执行I/O的数据传送方式，它可以让外设接口直接与内存进行高速的数据传送，而不必经过CPU。这种专门的硬件电路称为DMA控制器，简称DMAC,几种传送方式的比较：,1.无条件传送：只能用于外部设备与CPU 动作同步时，否则出错。这种方式已 较少使用。2.查询传送：接口简单，但在传送过程中，若外设数据没有准备好，则CPU一直在查询、等待，而 不能做其他事情。CPU的效率低下。3.中断传送：只有当外设数据准备好时(向CPU发出请求），CPU才进行数据传送（在 中断服务程序中），其余时间CPU可以做其他事情。CPU效率大大提高。但是，每传送一次数据，CPU都要执行一次中断服务程序，在中断服务程 序中，除执行 IN 和 OUT 指令外，还要进行下列工作：保护断点、保护标志寄存器、保护某些通用寄存、恢复等一 些工作，95%的时间是额外开销，从而传送效率并不高。4.DMA传送：在DMAC的控制下，外设直接和存储器（也可外设与外设，存储 器与存储器之间）进行数据传送，而不必经过CPU，传送速度基 本取决于外设与存储器的速度，从而传送效率大大提高。,6.3 I/O地址分配和地址译码,一、I/O地址分配表,6.3 I/O地址分配和地址译码,二、I/O地址译码原理关键是如何由地址信号产生接口芯片的片选信号。,6.3 微机系统的I/O通道与总线,1.I/O通道的作用,（1）支持双向数据传输。（2）支持MB级物理地址空间。（3）支持接口读写控制。（4）支持多级向量中断。（5）支持DMA传输通道。（6）支持多处理器共享总线。,2 常见的几种I/O通道,1ISA总线（Industrial Standard Architecture）2EISA总线（Extended Industrial Standard Architecture）3 局部总线表1.2为常见微机系统总线主要参数。,（1）VL总线标准（2）PCI总线（3）AGP总线,3.常见微机系统总线主要参数表,6.4DMA控制器8237,一、DMA概述,DMA方式就是直接存储器存取工作方式。在DMA方式下，外设通过DMA控制器向CPU提出接管总线控制权的总线要求，CPU在当前的总线周期结束后，响应DMA请求，并把总线控制权交给DMA控制器。在DMA控制器的管理下，外设和寄存器之间就可以直接进行数据交换。,返回本节,二、DMA的功能,（1）外设通过DMA控制器向CPU提出DMA申请。（2）DMA控制器接受外设的DMA请求，取得总线控制权。（3）总线载决逻辑对总线申请进行载决，把总线控制权交给DMA控制器。,（4）DMA控制器通知外设DMA应答，开始进入DMA传输。（5）DMA控制器按传输数据的长度直接控制外设与RAM进行数据交换。（6）DMA操作结束，DMA控制器向外设输出计数终止信号，通过接口提出中断申请，并把总线控制权交给CPU，完成一次DMA数据传控。,返回本节,三、8237A的内部结构,其内部结构如图4.1所示。1地址寄存器地址寄存器、基地址寄存器、当前地址寄存器 2字节数寄存器字节数寄存器、基本字节寄存器、当前字节计数器,图 4.1 8237A 的内部结构图,返回本节,四、8237A外部引脚及其功能特性,8237A的外部引脚共有40个，如图4.2所示。各引脚功能特性如下：,CLK：时钟频率，为输入信号。它控制DMA数据传送的速率及8237A内部操作的定时。CS：片选信号，为输入信号。低电平有效。RESET：复位信号，为输入信号，高电平有效。,READY：准备就绪信号，为输入信号，高电平有效。ADSTB：地址选通信号，为输出信号，高电平有效。AEN：地址允许信号，为输出信号，高电平有效。MEMR：寄存器读信号，为输出信号，低电平有效。当此信号有效时，被选中的寄存器单元的内容被读到数据总线上。,MEMW：寄存器写信号，为输出信号，低电平有效。当此信号为低电平时，数据总线上的内容被写入被选中的寄存器单元。IOR：I/O设备读信号，为双向信号，低电平有效。IOW：I/O设备写信号，双向信号，低电平有效。EOP：DMA传输结束信号，双向信号，低电平有效。,8 DREQ：DMA请求信号，属输入信号，高电平有效。DACK：DMA响应信号，属于输出信号，高电平有效。HRQ：总线请求信号，属于输出信号，高电平有效。,HLDA：总线响应信号，属于输入信号，高电平有效。A7A4：高4位地址线，双向信号在进行DMA传输时提供高4位地址。A3A0：低4位地址线，双向信号。DB7DB0：8位双向数据线。,五、8237A内部寄存器及其作用,1工作方式,（1）单字节传输方式（2）块传输方式（3）请求传输方式（4）级连传输方式,8237A各寄存器的端口地址,表4.6 8237A操作端口地址与命令一览表,返回本节,六、8237A的编程及其应用,1DMA的系统结构及主要性能,图 4.3 DMA系统逻辑结构示意图,28237A编程,（1）初始化通道方式寄存器。（2）预置该通道的基地址和当前地址寄存器（低16位）与页面寄存器（高4位或高8位）。（3）求传输的字节数，将其值减1并预置该通道的基地址及当前字节（或字节计数器）。（4）判断传输的数据量是否已经超出边界，若出界则返回错误代码。（5）开放通道，并允许DREQ请求。,返回本节,七、编程实例,（1）初始化通道方式寄存器。（2）预置该通道的基地址和当前地址寄存器与页面寄存器。（3）求传输的字节数，将其值减1并预置该通道的基地址及当前字节。（4）判断传输的数据量是否已经超出边界，若出界则返回错误代码。（5）开放通道，并允许DREQ请求。,；初始化通道2；入口参数：AL=DMA方式字节；读盘（DMA写）=046H；写盘（DMA读）=04AH；DH=传输的扇区数；ES：BX=RAM缓冲区首地址；定义要使用的符号DMA EQU 0；第0片DMA通道端口,下面为PC/AT机的软盘驱动器与存储器RAM之间进行数据交换的实例。,DMA1 EQU 0C0H；第1片DMA通道端口DAM08 EUQ 08；第0片DMA命令寄存器地址DMA18 EUQ 0D0H；第1片DMA命令寄存器地址DSET PROC NEAR；DMA 初始化过程 PUSH CX；保存CX寄存器 CLI；关中断OUT DMA+12，AL；清除先/后触发器JMP SHORT$+2；满足DMA的I/O定时要求,；初始化方式寄存OUT DMA+11，AL；写方式寄存MOV AX，ES；取寄存器RAM段地址MOV CL，4；ROL AX，CL；循环左移4MOV CH，AL；高4位保存在CHAND AL，0F0H；取低落6位地址ADD AX，BX,JNC J1INC CH；有进位加到高4位地址；初始化地址寄存器和页面寄存器J1：PUSH AX；保存16位地址OUT DMA+4，AL；预置通道2地址寄存JMP SHORT$+2MOV AL，AHOUT DMA+4，AL；先低字节，后高字节,MOV AL，CH；取最高4位地址JMP SHORT$+2AND AL,0FHOUT 08LH,AL；预置通道2对应的页面寄存器；初始化字节计数器MOV AH,DH；取传输扇区SUB AL,AL；乘以256（AL=0）,SHR AX,1；右移，即变成乘以128PUSH AX；保存“扇区与128的乘积”MOV BX,6；取软盘基数：每扇区字节数CALL GET PARM；调用取基数子程序MOV CL,AH；返回到AH基数N，保存在CLPOP AX；取出乘积值SHL AX,CL；右移返回值次数DEC AX；传输字节值减1,PUSH AX；保存字节数OUT DMA+5,AL；预防、置字节数计数器JMP SHORT$+2；MOV AL,AHOUT DMA+5,AL；先低字节，后高字节；判断DMA是否出界STI；开中断POP CX；传输字节数至CX寄存器,POP AX；位移地址至AXADD AX,CX；相加，若溢出段界则CF=1POP CX；恢复入口寄存器；开通道2MOV AX,2；清除通道2屏蔽位OUT DMA+10,AL；写屏蔽寄存器RET；返回DSET ENDP；DMA结束,返回本节,八、8237A DMA可编程控制与微机系统的接口电路,1用于将数据从存储器传送到I/O接口的DMA控制电路2用于将数据从I/O接口传送到内存的接口电路,图4.4 使用DMA通道实现内存到I/O接口的电路,图4.5 使用DMA通道实现I/O到内存接口的电路,返回本节,
