微机原理与接口第7章cpu与外设之间数据传送的方式.ppt

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1、1,教学内容,本章介绍输入输出接口的基本概念，CPU与外设间的数据传送方式，中断传送方式及相关技术，以及可编程中断控制器8259A的结构及编程方法。具体内容如下：1、I/O接口概述2、CPU与外设之间数据传送的方式3、中断技术4、8086/8088中断系统5、可编程中断控制器Intel 8259A,2,学习要求,1.了解I/O接口电路的主要功能、内部和外部特点、端口编址方法、I/O地址译码特点2.掌握输入输出指令3.掌握无条件、查询传送方式4.理解中断、中断源、中断工作过程、中断源识别、优先权排队和中断嵌套5.理解DMA传送的工作过程,3,第7章 输入/输出与中断,7.1 I/O接口概述 7.

2、2 CPU与外设之间数据传送的方式 7.3 中断技术 7.4 8086/8088 中断系统 7.5 可编程中断控制器Intel 8259A,4,第7章：7.1 I/O接口概述,为什么需要I/O接口（电路）？微机的外部设备多种多样工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差别很大它们不能与CPU直接相连必须经过中间电路再与系统相连这部分电路被称为I/O接口电路,多种外设,5,第7章：7.1 I/O接口概述（续1）,什么是I/O接口（电路）？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PC机系统板的可编程接口芯片、I/O总线槽的电路板（适配器）都是接口电路,6,第

3、7章：7.1 I/O接口概述（续2）,什么是微机接口技术？处理微机系统与外设间联系的技术注意其软硬结合的特点根据应用系统的需要，使用和构造相应的接口电路，编制配套的接口程序，支持和连接有关的设备,7,第7章：7.1.1 I/O接口的主要功能,对输入输出数据进行缓冲和锁存输出接口有锁存环节；输入接口有缓冲环节实际的电路常见：输出锁存缓冲环节、输入锁存缓冲环节 对信号的形式和数据的格式进行变换微机直接处理：数字量、开关量、脉冲量 对I/O端口进行寻址 与CPU和I/O设备进行联络,8,7.1.2 CPU与外设交换的信息 主机与I/O设备之间交换的信息可分为数据信息、状态信息和控制信息三类。1数据信

4、息 数据信息又分为数字量、模拟量和开关量三种形式。1)数字量 数字量是计算机可以直接发送、接收和处理的数据。例如，由键盘、显示器、打印机及磁盘等I/O外设与 CPU交换的信息，它们是以二进制形式表示的数或以ASCII码表示的数符。,9,2)模拟量 当计算机应用于控制系统中时，输入的信息一般为来自现场的连续变化的物理量，如温度、压力、流量、位移、湿度等，这些物理量通过传感器并经放大处理得到模拟电压或电流，这些模拟量必须先经过模拟量向数字量的转换(A/D转换)后才能输入计算机。反过来，计算机输出的控制信号都是数字量，也必须先经过数字量向模拟量的转换(D/A转换)，把数字量转换成模拟量才能去控制现场

5、。3)开关量 开关量可表示两个状态，如开关的断开和闭合，机器的运转与停止，阀门的打开与关闭等。这些开关量通常要经过相应的电平转换才能与计算机连接。开关量只要用一位二进制数即可表示。,10,2.状态信息 状态信息作为CPU与外设之间交换数据时的联络信息，反映了当前外设所处的工作状态，是外设通过接口送往CPU的。CPU通过对外设状态信号的读取，可得知输入设备的数据是否准备好、输出设备是否空闲等情况。对于输入设备，一般用准备好(READY)信号的高低来表明待输入的数据是否准备就绪；对于输出设备，则用忙(BUSY)信号的高低表示输出设备是否处于空闲状态，如为空闲状态，则可接收CPU输出的信息，否则CP

6、U要暂停送数。,11,3控制信息 控制信息是CPU通过接口传送给外设的，CPU通过发送控制信息设置外设(包括接口)的工作模式、控制外设的工作。如外设的启动信号和停止信号就是常见的控制信息。实际上，控制信息往往随着外设的具体工作原理不同而含义不同。虽然数据信息、状态信息和控制信息含义各不相同，但在微型计算机系统中，CPU通过接口和外设交换信息时，只能用输入指令(IN)和输出指令(OUT)传送数据，所以状态信息、控制信息也是被作为数据信息来传送的，即把状态信息作为一种输入数据，而把控制信息作为一种输出数据，这样，状态信息和控制信息也通过数据总线来传送。但在接口中，这三种信息是在不同的寄存器中分别存

7、放的。,12,7.1.3 I/O接口的基本结构 I/O接口的基本结构如图7.2所示。每个接口电路中都包含一组寄存器，CPU与外设进行信息交换时，各类信息在接口中存入不同的寄存器，一般称这些寄存器为I/O端口，简称为口(Port)。用来保存CPU和外设之间传送的数据(如数字、字符及某种特定的编码等)、对输入/输出数据起缓冲作用的数据寄存器称为数据端口；用来存放外设或者接口部件本身状态的状态寄存器称为状态端口；用来存放CPU发往外设的控制命令的控制寄存器称为控制端口。,13,图7.2 一个典型的I/O接口,14,正如每个存储单元都有一个物理地址一样，每个端口也有一个地址与之相对应，该地址称为端口地

8、址。有了端口地址，CPU对外设的输入/输出操作实际上就是对I/O接口中各端口的读/写操作。数据端口一般是双向的，数据是输入还是输出，取决于对该端口地址进行操作时CPU发往接口电路的读/写控制信号。由于状态端口只做输入操作，控制端口只做输出操作，因此，有时为了节省系统地址空间，在设计接口时往往将这两个端口共用一个端口地址，再用读/写信号来分别选择访问。注意点:输入/输出操作所用到的地址总是对端口而言，而不是对接口而言的。接口和端口是两个不同的概念，若干个端口加上相应的控制电路才构成接口。,15,7.1.4 I/O端口的编址 微型计算机系统中I/O端口编址方式有两种：I/O端口与内存单元统一编址和

9、 I/O端口与内存单元独立编址。1I/O端口与内存单元统一编址 这种编址方式是对I/O端口和存储单元按照存储单元的编址方法统一编排地址号，由I/O端口地址和存储单元地址共同构成一个统一的地址空间。例如，对于一个有16根地址线的微机系统，若采用统一编址方式，其地址空间的结构如图7.3所示。,16,图7.3 I/O端口与内存单元统一编址,优点：不需要专门的I/O指令I/O数据存取与存储器数据存取一样灵活缺点：I/O端口要占去部分存储器地址空间程序不易阅读（不易分清访存和访问外设）,17,2I/O端口与内存单元独立编址 在这种编址方式中，建立了两个地址空间，一个为内存地址空间，一个为I/O地址空间。

10、内存地址空间和I/O地址空间是相对独立的，通过控制总线来确定CPU到底要访问内存还是I/O端口。为确保控制总线发出正确的信号，除了要有访问内存的指令之外，系统还要提供用于CPU与I/O端口之间进行数据传输的输入/输出指令。,18,19,图7.4 I/O端口与内存单元独立编址,优点：I/O端口的地址空间独立控制和地址译码电路相对简单专门的I/O指令使程序清晰易读缺点：I/O指令没有存储器指令丰富,80 x86采用I/O端口独立编址,20,3I/O端口的地址译码 IN AL,21H OUT 43H,AL 微机系统常用的I/O接口电路一般都被设计成通用的I/O接口芯片，一个接口芯片内部可以有若干可寻

11、址的端口。因此，所有接口芯片都有片选信号线和用于片内端口寻址的地址线。例如，某接口芯片内有四个端口地址(8255)，则该芯片外就会有两根地址线。本书第8章中将详细介绍几种常用的I/O接口芯片。I/O端口地址译码的方法有多种，一般的原则是把CPU用于I/O端口寻址的地址线分为高位地址线和低位地址线两部分，将低位地址线直接连到I/O接口芯片的相应地址引脚，实现片内寻址，即选中片内的端口；将高位地址线与CPU的控制信号组合，经地址译码电路产生I/O接口芯片的片选信号。,21,7.2 CPU与外设之间数据传送的方式,7.2.1 程序传送方式 1无条件传送方式 无条件传送流程 微机系统中的一些简单的外设

12、，如开关、继电器、数码管、发光二极管等，在它们工作时，可以认为输入设备已随时准备好向CPU提供数据，而输出设备也随时准备好接收CPU送来的数据，这样，在CPU需要同外设交换信息时，就能够用IN或OUT指令直接对这些外设进行输入/输出操作。由于在这种方式下CPU对外设进行输入/输出操作时无需考虑外设的状态，故称之为无条件传送方式。,22,对于简单外设，若采用无条件传送方式，其接口电路也很简单。如简单外设作为输入设备时，可直接使用三态缓冲器和数据总线相连，如图7.5(a)所示。要求CPU在执行输入指令时，外设的数据是准备好的，即数据已经存入三态缓冲器中。简单外设为输出设备时，由于外设取数的速度比较

13、慢，要求CPU送出的数据在接口电路的输出端保持一段时间，因而一般都需要锁存器，如图7.5(b)所示。CPU输出的信息经过数据总线送入输出锁存器中，输出锁存器保持这个数据，直到外设取走。无条件传送方式下，程序设计和接口电路都很简单，但是为了保证每一次数据传送时外设都能处于就绪状态，传送不能太频繁。对少量的数据传送来说，无条件传送方式是最经济实用的一种传送方法。,23,图7.5 无条件传送方式(a)无条件传送数据输入；(b)无条件传送数据输出,24,2查询传送方式 查询传送流程 查询传送也称为条件传送，是指在执行输入指令(IN)或输出指令(OUT)前，要先查询相应设备的状态，当输入设备处于准备好状

14、态，输出设备处于空闲状态时，CPU才执行输入/输出指令与外设交换信息。接口电路中既要有数据端口，还要有状态端口。查询传送方式的流程图见图7.6。采用查询方式完成一次数据传送要经历如下过程：(1)CPU从接口中读取状态字。(2)CPU检测相应的状态位是否满足“就绪”条件。(3)如果不满足，则重复(1)、(2)步；若外设已处于“就绪”状态，则传送数据。,25,图7.6 查询传送方式的流程图,26,图7.7给出的是采用查询传送方式进行输入操作的接口电路。输入设备在数据准备好之后向接口发选通信号，此信号有两个作用：一方面将外设中的数据送到接口的锁存器中；另一方面使接口中的一个D触发器输出“1”，从而使

15、三态缓冲器的READY位置“1”。CPU输入数据前先用输入指令读取状态字，测试READY位，若READY位为“1”，说明数据已准备就绪，再执行输入指令读入数据。由于在读入数据时信号已将状态位READY清0，于是可以开始下一个数据输入过程。,27,图7.7 查询式输入的接口电路,28,29,图7.8 查询式输出的接口电路,30,查询传送方式的主要优点是能保证主机与外设之间协调同步地工作，且硬件线路比较简单，程序也容易实现。在这种方式下，CPU花费了很多时间查询外设是否准备就绪，在这些时间里CPU不能进行其他的操作,浪费CPU时间；在实时控制系统中，若采用查询传送方式，由于一个外设的输入/输出操作

16、未处理完毕就不能处理下一个外设的输入/输出，故不能达到实时处理的要求，实时性差。查询传送方式适用于数据输入/输出不太频繁且外设较少、对实时性要求不高的情况。不论是无条件传送方式还是查询传送方式，都不能发现和处理预先无法估计的错误和异常情况。为了提高CPU的效率、增强系统的实时性，并且能对随机出现的各种异常情况做出及时反应，通常采用中断传送方式。,31,7.2.2 中断传送方式 中断传送流程 中断传送方式是指当外设需要与CPU进行信息交换时，由外设向CPU发出请求信号，使CPU暂停正在执行的程序，转去执行数据的输入/输出操作，数据传送结束后，CPU再继续执行被暂停的程序。查询传送方式是由CPU来

17、查询外设的状态，CPU处于主动地位，而外设处于被动地位。中断传送方式则是由外设主动向CPU发出请求，等候CPU处理，在没有发出请求时，CPU和外设都可以独立进行各自的工作。目前的微处理器都具有中断功能，而且已经不仅仅局限于数据的输入/输出，而是在更多的方面有重要的应用。例如实时控制、故障处理以及BIOS和DOS功能调用等。,32,中断传送方式的优点是：CPU不必查询等待，工作效率高，CPU与外设可以并行工作；由于外设具有申请中断的主动权，故系统实时性比查询方式要好得多。缺点：采用中断传送方式的接口电路相对复杂，而且每进行一次数据传送就要中断一次CPU，CPU每次响应中断后，都要转去执行中断处理

18、程序，且都要进行断点和现场的保护和恢复，浪费了很多CPU的时间。故中断传送方式一般适合于少量的数据传送。对于大批量数据的输入/输出，可采用高速的直接存储器存取方式，即DMA方式。,33,7.2.3 直接存储器存取(DMA)传送方式 1DMA传送方式简介场合：DMA传送方式是在存储器和外设之间、存储器和存储器之间直接进行数据传送(如磁盘与内存间交换数据、高速数据采集、内存和内存间的高速数据块传送等)。特点：传送过程无需CPU介入，在传送时就不必进行保护现场等一系列额外操作，传输速度基本取决于存储器和外设的速度。要求：DMA传送方式需要一个专用接口芯片DMA控制器(DMAC)对传送过程加以控制和管

19、理。过程：在进行DMA传送期间，CPU放弃总线控制权，将系统总线交由DMAC控制，由DMAC发出地址及读/写信号来实现高速数据传输。传送结束后DMAC再将总线控制权交还给CPU。一般微处理器都设有用于DMA传送的联络线。,34,图7.9 DMA系统结构框图,35,2DMA控制器的工作方式 1)单字节传输方式 在该方式下，DMAC每次控制总线后只传输一个字节，传输完后即释放总线控制权。2)成组传输方式(块传输方式)采用这种方式，DMAC每次控制总线后都连续传送一组数据，待所有数据全部传送完后再释放总线控制权。成组传输方式的数据传输率要比单字节传输方式高。但是，成组传输期间CPU无法进行任何需要使

20、用系统总线的操作。3)请求传输方式 在该方式下，每传输完一个字节，DMAC都要检测I/O接口发来的DMA请求信号是否有效。若有效，则继续进行DMA传输；否则就暂停传输，将总线控制权交还给CPU，直至DMA请求信号再次变为有效，再从刚才暂停的那一点继续传输。,36,3DMA操作的基本过程 DMA传送流程 1)DMAC的初始化(1)指定数据的传送方向。指定外设对存储器是做读操作还是写操作，这就要对控制/状态寄存器中的相应控制位置数。(2)指定地址寄存器的初值。即给出存储器中用于DMA传送的数据区的首地址。(3)指定计数器的初值。即明确有多少数据需要传送。,37,2)DMA数据传送，按以下步骤进行(

21、以数据输入为例)(1)外围设备发选通脉冲，把输入数据送入缓冲寄存器，并使DMA请求触发器置1。(2)DMA请求触发器向控制/状态端口发准备就绪信号，同时向DMA控制器发DMA请求信号。(3)DMA控制器向CPU发出总线请求信号(HOLD)。(4)CPU在完成了现行机器周期后，即响应DMA请求，发出总线允许信号(HLDA)，并由DMA控制器发出DMA响应信号。此时，由DMA控制器接管系统总线。(5)DMA控制器发出存储器地址，并在数据总线上给出数据，随后在读/写控制信号线上发出写的命令。(6)来自外设的数据被写入相应存储单元。(7)每传送一个字节，DMA控制器的地址寄存器加1，从而得到下一个地址

22、，字节计数器减1。返回(5)，传送下一个数据。如此循环，直到计数器的值为0，数据传送完毕。,38,3)DMA结束 DMA传送完毕，由DMAC撤消总线请求信号，从而结束DMA操作。CPU撤消总线允许信号，恢复对总线的控制。前面介绍的三种传送方式各有利弊，在实际使用时，要根据具体情况选择既能满足要求，又尽可能简单的方式。,39,多种多样的外设,工作原理不同机械、电子、机电、电磁传送信息类型多样数字量、模拟量、开关量传送速度差别极大传送方式不尽相同串行、并行编码方式不同二进制、BCD码、ASCII码,返回,40,输出接口的锁存环节,返回,41,输出接口的锁存、缓冲环节,返回,42,输入接口的缓冲环节

23、,返回,43,输入接口的锁存、缓冲环节,返回,44,端口（PORT）,端口泛指I/O地址，通常对应接口电路的寄存器一个接口电路可以具有多个I/O端口（寄存器），每个端口用来保存和交换不同的信息数据寄存器、状态寄存器和控制寄存器占有的I/O地址常依次被称为数据端口、状态端口和控制端口，用于保存数据、状态和控制信息输入、输出端口可以是同一个I/O地址,一定要理解,返回,45,IN AL,21H,返回,46,OUT 43H,AL,返回,47,无条件传送流程,返回,48,就绪（Ready）,在输入场合“就绪”说明输入接口已准备好送往CPU的数据，正等着CPU来读取该状态也可用接口中数据缓冲器已“满”来描述 在输出场合“就绪”说明输出接口已做好准备，等待接收CPU要输出的数据该状态也可用接口数据缓冲器已“空”、或者用接口（外设）“闲”或不“忙（Busy）”来描述,返回,就绪：满，空、闲、不忙,49,查询传送流程,返回,50,中断传送流程,返回,51,DMA传送流程,返回,