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1、第5章 微型计算机和外设的数据传输,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、32位微处理器采用I/O编址的译码、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 熟悉32位微处理器保护模式下的I/O空间，直接存储器存取（DMA）方式以及I/O处理器控制方式,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 为什么要用接口电路,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
2、两者之间进行信息交换时的必要通路。接口电路按功能分为两类：微处理器正常工作所需的辅助电路；输入/输出接口电路。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
3、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）？,数据信息1.数字量 2.模拟量 3.开关量状态信息反映外设所处的工作状态。由外设往CPU传送。如果是输入设备，CPU通过读入READY信号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BUSY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。控制信息是CPU传送给I/O设备的。CPU通过数据总线写入I/O接口电路的控制端口（控制寄存器）中，然后传送到I/O设备，以便控制外设的操作。,5.2CPU和输入输出设备之间的信号,5.3 接口部件的I/O端口,I/O接口电路中一般具有三种类型的基本寄存
4、器，它们是用于存取数据的寄存器，存取控制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、控制端口3、状态端口,5.4 CPU与I/O设备数据传输方式,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，驱动程序也不相同一般可以划分为五种传输数据的方式：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方式以及I/O处理器控制方式,5.4.1 程序方式,1.无条件传送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
5、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,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时序,2、条件传送方式,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D
6、XABC：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
7、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,查询式输入输出方式存在的问题当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,5.4.2 中断方
8、式,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,图例 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
9、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。,中断优先级问题的解决（1）软件查询方式（2）简单硬件方式菊花链法（3）专用硬件方式,5.4.3 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。,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
10、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,图5-10 DMA系统的基本组成,DMAC内部包括四个基本寄存器,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,习题5,
11、51 外部设备为什么要通过接口电路和主机系统相连?存储器需要接口电路和总线相连吗?为什么?52 是不是只有串行数据形式的外设需要接口电路和主机系统连接?为什么?53 接口电路的作用是什么?按功能可分为几类?54 数据信息有哪几类?举例说明它们各自的含义。55 CPU和输入输出设备之间传送的信息有哪几类?56 什么叫端口?通常有哪几类端口?计算机对IO端口编址时通常采用哪两种方法?57 在80868088系统中，用哪种方法对IO端口进行编址?58 为什么有时候可以使2个端口对应1个地址?,59 CPU和外设之间的数据传送方式有哪几种?实际选择某种传输方式时，主要依据是什么?510 无条件传送方式用在哪些场合?画出无条件传送方式的工作原理图并说明。511 条件传送方式的工作原理是怎样的?主要用在什么场合?画出条件传送(查询)方式输出过程的流程图。512 设1个接口的输入端口地址为0100H，而它的状态端口地址为0104H，状态端口中第5位为1表示输入缓冲区中有1个字节准备好，可输入。设计具体程序实现查询式输入。513 查询式传送方式有什么优缺点?中断方式为什么能弥补查询方式的缺点?514 画1个用中断方式进行输出传输的接口电路。515 叙述可屏蔽中断的响应和执行过程。516 通常解决中断优先级的方法有哪几种?各有什么优缺点?,
