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1、第5章 微型计算机和外设之间的数据传输,通过本章的学习，使学生掌握接口电路的基本概念、接口电路的主要功能、两种I/O端口的编址方式、微处理器与I/O设备数据传送的查询式输入输出方式以及中断方式输入输出直接存储器存取（DMA）方式,教学目的和教学要求,重点：I/O端口的编址方式 CPU与I/O设备数据传送的查询式输入输出方式以及中断方式输入输出难点：微处理器与I/O设备数据传送的几种方式,本章重点、难点,5.1接口电路的概述,所谓接口就是微处理器与外围设备之间的连接电路，它是两者之间进行信息交换时的必要通路，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
2、输出接口电路，打印机也有打印输出接口电路等等 微型计算机系统的各类接口如图所示,微型计算机各种接口框图,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,什么是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,为什么需要I/O接口（电路）？,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
3、关的设备,什么是微机接口技术？,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,一、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,二、可编程接口电路,16位微处理器（例如8086CPU）的出现，
4、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,三、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
5、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,四、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
6、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,5.2 CPU与外设之间所传送的信息类型,CPU与I/O端口之间所交换的信息，可以有下列几种类型：数据信息：包括数字量、模拟量、开关量等，可以输入也可以输出状态信息：这是I/O端口送给CPU的有关本端口所对应的外设当前状态的信息。供CPU进行分析、判断、决策。控制信息：这是CPU送给I/O端口的控制命令，使相应的外部设备完成特定的操作。数据信息、状态信息和控制信息是不同类型的信息，它们所起的作用也不一样。但在8086/8088微机系统中，这三种、不同类型的信息的输入、输
7、出过程是相同的。为了加以区分，可以使它们具有不同的端口地址，在端口地址相同的情况下，可以规定操作的顺序，或者在输入/输出的数据中设置特征位。传送方式有并行和串行两种。,5.3 接口部件的I/O端口,I/O接口电路的连接,接口电路中的基本寄存器,I/O接口电路中一般具有三种类型的基本寄存器，它们是用于存取数据的寄存器，存取命令信息的寄存器以及存取外设所处状态的寄存器,习惯上把这些寄存器称为端口1、数据端口2、命令端口3、状态端口,1数据端口,用于中转数据信息。一种情况是CPU通过数据总线，将待传送给外设的数据先传送到数据端口，然后由I/O设备通过与I/O接口电路相连接的数据线取得该数据另一种情况
8、是I/O设备首先将输入数据锁存于数据端口，然后，CPU通过数据端口将该数据读入CPU中。数据端口一般既有输出寄存器（或称输出锁存器），又有输入寄存器（或称输入锁存器）,2、命令端口,用于传送对I/O设备的命令信息。CPU将命令信息通过数据总线写入I/O接口电路的命令寄存器中，然后传送到I/O设备，以便控制外设的操作。它由输出寄存器组成，命令端口是一个输出端口,3、状态端口,用于传送外设所处的状态信息。状态端口是输入端口，CPU通过读取状态端口的数据，以此了解外设当前所处的工作状态，比如，如果是输入设备，则可以通过状态信息了解输入设备是否有了等待输入的新数据，如果是输出设备，CPU通过读入的状态
9、信息，可以了解输出设备是否作好了接受CPU传送新数据的准备。显然，1bit的状态信息可以反应1个外设的两种状态，1个8位的状态端口则可以反应外设的8个状态信息,总之，I/O接口电路中一般有数据端口、命令端口以及状态端口，每个端口地址是不相同的，CPU均通过数据总线来传送三种端口的数据。有些I/O接口中，还有中断控制逻辑电路，以便外设与CPU之间以中断方式进行输入或输出，其优点是可以提高CPU的工作效率,5.3.2 I/O端口的编址方式,端口是接口电路中能被CPU直接访问的寄存器的地址。由于有的寄存器寄存的二进制信息专门用来被CPU读取，有的寄存器用于专门接收CPU发出来的数据，因此，被CPU访
10、问的寄存器的地址分为输入端口和输出端口，故称为I/O端口 微机给接口电路中的每个寄存器分配一个端口，即给每个寄存器分配一个地址，当CPU访问这些寄存器时，通过执行I/O指令，由I/O指令中给出的地址就从地址总线上发出去，经接口电路中的地址译码器译码后，便可以选中I/O指令中所指定的寄存器进行R/W访问,两种I/O端口的编址方式,一、统一编址 从内存空间划出一部分地址空间留给I/O设备编址，CPU把I/O端口所指的寄存器当作存储单元进行访问，直接用访问内存的指令访问I/O寄存器，这种I/O端口的编址方式被称之为统一编址，或称为存储器映像的I/O编址方式,优点：不需要设立专门的I/O指令，用访问内
11、存的指令就可以访问外设，指令类型多，功能齐全，还可以对端口进行算术运算，逻辑运算以及移位操作等。I/O端口空间不受限制 缺点：是I/O端口占用了内存空间，减少了内存容量,统一编址优缺点,二、专门的I/O编址方式,接口电路中所有的I/O端口统一编址，而所有I/O端口建立的地址空间与内存地址空间是两个独立的地址空间，也常称这种方式为独立编址方式,优点：不占用内存空间，使用专门I/O指令访问I/O端口，I/O速度快 缺点：CPU的引脚上必须具有能区分出访问内存还是访问I/O端口的信号，作为I/O接口电路中端口译码电路以及存储器片选译码电路的输入信号,专用I/O编址的优缺点,5.4.1 接口电路的主要
12、功能,设备选择功能数据缓冲功能接收和执行CPU命令的功能寄存外设状态的功能 信号的转换功能 数据宽度变换的功能可编程功能,5.4.2 32位微处理器采用I/O编址的译码电路,一、8位数据端口与低8位数据线的连接,二、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,5.5 CPU与I/O设备传输数据的几种方式,CPU以及I/O设备的种类繁多，CPU与I/O设备所构成的系统不可能完全相同，CPU与I/O设备之间传输数据的方式也
13、不完全相同，接口电路的结构与功能也不同，驱动程序也不相同传输数据的方式：无条件I/O传送方式、查询式输入输出方式、中断控制方式、DMA方式.,一、无条件输入输出方式,无条件输入输出方式是一种最简单的输入/输出控制方式，其I/O接口电路及软件比较简单，所有的操作均由执行程序来完成特点：输入接口电路总是准备好了等待输入给CPU的数据，输出接口电路总是准备好了接受来自CPU的数据。CPU无须查询I/O设备是否准备就绪，直接用汇编语言或高级语言编程，实现输入或输出操作 此种方式的接口电路是查询式输入输出方式接口电路的基础,IOR*与IOW*的产生,无条件输入接口电路及输入时序,无条件输出接口电路及输出
14、时序,二、查询式输入输出方式,1查询式输入方式,当CPU采用查询方式从外设读取数据时，CPU必须首先从状态端口查询外设的数据是否已经准备好，确认已准备好后，才能执行一次数据输入操作,例：假设状态端口与数据端口的地址分别为300H和301H，状态信息从数据总线上的D0位读入CPU中，查询式输入程序段如下：MOV DX，300H；状态口地址传送给DXABC：IN AL，DX；读入状态信息 TEST AL，01H；AL01H，影响ZF标志 JZ ABC；如果状态信息为0转ABC MOV DX，301H；数据端口地址传送给DX IN AL，DX；读入数据信息,2查询式输出方式,当CPU采用查询方式向外
15、设输出数据时，CPU必须首先从状态端口查询外设是否已经作好了接受CPU数据的准备，若没有准备好，则要继续查询，若准备好了，CPU便执行一次数据输出操作,例：假设状态端口与数据端口的地址分别为3FOH和3F1H，状态信息从数据线上D7位读入CPU中，查询式输出程序段如下：MOV DX，3F0H；状态口地址传送给DXCBA：IN AL，DX；读入状态信息 TEST AL，80H；AL80H，影响ZF标志 JZ CBA；如果状态信息为0则转CBA MOV DX，3F1H；数据端口地址传送给DX MOV AL，SI；从内存读取数据给AL OUT DX，AL；向数据口输出数据,3查询式输入输出方式存在的
16、问题,从图可以看出，当CPU与I/O设备之间采用查询式输入输出方式交换数据时，CPU必须顺序查询每一个外设，当某一个外设不需要服务时，CPU也得按顺序查询一次。外设总是处于被动状态，CPU无法快速响应外设要求及时服务的请求。CPU为了服务外设，其它程序会停止执行，所以，查询式I/O方式不可能是微型计算机外设工作的最佳选择，不适用于实时监控系统,三、中断方式输入输出,中断是外设或者其他中断源中止CPU当前正在执行的程序，转向为申请中断的外设（或中断源）执行服务程序，一旦服务程序执行结束，必须返回到被中断程序的断点处，接着执行原来的程序,运用中断控制方式实现外设数据的输入输出，完全可以解决查询式输
17、入输出存在的问题。在中断控制方式下，所有的I/O设备都可以工作在主动请求CPU为该外设服务的状态下，一旦一个或多个外设申请中断服务，则CPU根据各I/O设备预先被设置的中断优先级别，逐个予以响应，并进行中断处理、中断返回，实现中断处理的全过程,2个中断源中断过程的示意图,中断控制方式的输入输出是微机中常用的一门技术，采用中断技术后，CPU能与所有的外设并行工作，能及时服务外设，并处理系统异常情况，从而可以提高微机的整体性能，提高计算机的运行速度。,四、直接存储器存取（DMA）方式,1什么是DMA？DMA（Direct Memory Access）即直接存储器存取方式，是指在专门的DMA控制器的
18、控制下实现外围设备与内存储器直接交换数据的一门接口技术。在这种方式下，数据传输不经过CPU，传送的速度 就只取决于存储器和外设的工作速度。在这种方式下，数据传输不经过CPU，传送的速度就只取决于存储器和外设的工作速度,微型计算机在一般情况下，由CPU管理数据总线、地址总线以及控制总线，当系统有DMA请求时，CPU便让出三种总线的控制权，或让出有关这三种总线的全局总线，转由DMAC控制三种总线实现高速外存与内存之间数据的交换。由DMAC控制数据传送结束后，DMA向CPU撤除DMA请求，交还三总线控制权给CPU，于是结束一次DMA传输的过程,2DMA系统的基本组成,DMAC内部包括四个基本寄存器,
19、地址寄存器：用于存取下一个要访问的内存单元的地址，地址寄存器的内容加1或减1操作，取决于DMAC的设计字节计数器：用于存放尚未传送完毕字节的数量，字节计数器在DMA过程中自动作减1操作控制寄存器：用于对DMAC操作的控制状态寄存器：反映DMAC当前所处的状态，例如，数据块传输是否结束等状态信息,3DMA传送的基本原理,DMA方式传送的主要步骤,外设准备就绪时，向DMA控制器发DMA请求，DMA控制器接到此信号后，向CPU发HOLD请求；CPU接到HOLD请求后，如果条件允许（一个总线操作结束），则发出HLDA信号作为响应，同时，放弃对总线的控制；DMA控制器取得总线控制权后，往地址总线发送地址信号，每传送1个字节，就会自动修改地址寄存器的内容，以指向下一个要传送的字节；每传送一个字节，字节计数器的值减1，当减到0时，DMA过程结束；,DMA控制器向CPU发结束信号，将总线控制权交回CPU。DMA传送控制方式，解决了在内存的不同区域之间，或者内存与外设之间大量数据的快速传送问题，代价是需要增加专门的硬件控制电路，称为DMA控制器，其复杂程度与CPU相当。,
