第5章微型计算机与外设之间的数据传输优秀PPT.ppt

第5章 微型计算机与外设之间的数据传输现在学习的是第1页，共38页通过本章的学习，使学生掌握接口电路的基本通过本章的学习，使学生掌握接口电路的基本概念、接口电路的主要功能、两种概念、接口电路的主要功能、两种I/OI/O端口的编址端口的编址方式、微处理器与方式、微处理器与I/OI/O设备数据传送的查询式输入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输出方式以及中断方式输入输出直接存储器存取（直接存储器存取（DMADMA）方式）方式教学目的和教学要求教学目的和教学要求现在学习的是第2页，共38页重点：重点：n I/O端口的编址方式端口的编址方式n CPU与与I/O设备数据传送的查询式输入输出方式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以及中断方式输入输出难点：难点：n 微处理器与微处理器与I/O设备数据传送的几种方式设备数据传送的几种方式本章重点、难点本章重点、难点现在学习的是第3页，共38页5.1接口电路的概述接口电路的概述 所谓所谓接口接口就是微处理器与外围设备之间的连接电路，它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同的输入/输出接口电路。例如，键盘输入有键盘接口电输出接口电路。例如，键盘输入有键盘接口电路，路，CRTCRT显示器有显示器输出接口电路，打印机也有打印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系统的各类接口如图所示 现在学习的是第4页，共38页 微型计算机各种接口框图微型计算机各种接口框图 现在学习的是第5页，共38页nI/O接接口口是是位位于于系系统统与与外外设设间间、用用来来协协助助完成数据传送和控制任务的逻辑电路完成数据传送和控制任务的逻辑电路nPC机机系系统统板板的的可可编编程程接接口口芯芯片片、I/O总总线线槽槽的的电路板（适配器）都是接口电路电路板（适配器）都是接口电路CPUCPU接口接口接口接口电路电路电路电路I/OI/O设备设备设备设备什么是什么是I/OI/O接口（电路）？接口（电路）？现在学习的是第6页，共38页n微机的外部设备多种多样微机的外部设备多种多样n工工作作原原理理、驱驱动动方方式式、信信息息格格式式、以以及及工工作作速度方面彼此差别很大速度方面彼此差别很大n它们不能与它们不能与CPU直接相连直接相连n必须经过中间电路再与系统相连必须经过中间电路再与系统相连n这部分电路被称为这部分电路被称为I/O接口电路接口电路为什么需要为什么需要I/OI/O接口（电路）？接口（电路）？现在学习的是第7页，共38页n处理微机系统与外设间联系的技术处理微机系统与外设间联系的技术n注意其软硬结合的特点注意其软硬结合的特点n根根据据应应用用系系统统的的需需要要，使使用用和和构构造造相相应应的的接接口口电电路路，编编制制配配套套的的接接口口程程序序，支支持持和和连连接接有关的设备有关的设备什么是微机接口技术？什么是微机接口技术？现在学习的是第8页，共38页5.2 CPU与外设之间所传送的信息类型与外设之间所传送的信息类型CPU与与I/O端口之间所交换的信息，可以有下列几种类型：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：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：这是I/O端口送给端口送给CPU的有关本端口所对应的外设的有关本端口所对应的外设当前状态的信息。供当前状态的信息。供CPU进行分析、判断、决策。进行分析、判断、决策。控制信息：这是：这是CPU送给送给I/O端口的控制命令，使相应的外部端口的控制命令，使相应的外部设备完成特定的操作。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。但在们所起的作用也不一样。但在8086/8088微机系统中，这三种、不微机系统中，这三种、不同类型的信息的输入、输出同类型的信息的输入、输出过程是相同的。为了加以区分，可以使。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，或者在输入作的顺序，或者在输入/输出的数据中设置特征位。输出的数据中设置特征位。传送方式有并行和串行两种。现在学习的是第9页，共38页5.3 接口部件的接口部件的I/O端口端口 I/O接口电路的连接接口电路的连接现在学习的是第10页，共38页5.3.1I/O5.3.1I/O接口电路中的基本寄存器接口电路中的基本寄存器I/OI/O接口电路中一般具有接口电路中一般具有三种类型三种类型的的基本寄存器基本寄存器，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寄存器以及存取外设所处状态的寄存器,习惯上把习惯上把这些寄存器称为端口这些寄存器称为端口1 1、数据端口、数据端口2 2、命令端口、命令端口3 3、状态端口、状态端口 现在学习的是第11页，共38页1数据端口数据端口 n用用于于中中转转数数据据信信息息。一一种种情情况况是是CPUCPU通通过过数数据据总总线线，将将待待传传送送给给外外设设的的数数据据先先传传送送到到数数据据端端口口，然然后后由由I/OI/O设设备备通通过过与与I/OI/O接接口口电电路路相相连连接接的的数数据线取得该数据据线取得该数据n另另一一种种情情况况是是I/OI/O设设备备首首先先将将输输入入数数据据锁锁存存于于数数据据端端口口，然然后后，CPUCPU通通过过数数据据端端口口将将该该数数据据读读入入CPUCPU中中。数数据据端端口口一一般般既既有有输输出出寄寄存存器器（或或称称输输出出锁锁存存器器），又又有有输输入入寄寄存存器器（或或称称输输入入锁锁存存器）器）现在学习的是第12页，共38页2、命令端口、命令端口用用于于传传送送对对I/OI/O设设备备的的命命令令信信息息。CPUCPU将将命命令令信信息息通通过过数数据据总总线线写写入入I/OI/O接接口口电电路路的的命命令令寄寄存存器器中中，然然后后传传送送到到I/OI/O设设备备，以以便便控控制制外外设设的的操操作作。它它由由输输出出寄寄存存器器组组成成，命命令令端端口口是一个输出端口是一个输出端口现在学习的是第13页，共38页3、状态端口、状态端口用用于于传传送送外外设设所所处处的的状状态态信信息息。状状态态端端口口是是输输入入端端口口，CPUCPU通通过过读读取取状状态态端端口口的的数数据据，以以此此了了解解外外设设当当前前所所处处的的工工作作状状态态，比比如如，如如果果是是输输入入设设备备，则则可可以以通通过过状状态态信信息息了了解解输输入入设设备备是是否否有有了了等等待待输输入入的的新新数数据据，如如果果是是输输出出设设备备，CPUCPU通通过过读读入入的的状状态态信信息息，可可以以了了解解输输出出设设备备是是否否作作好好了了接接受受CPUCPU传传送送新新数数据据的的准准备备。显显然然，1bit1bit的的状状态态信信息息可可以以反反应应1 1个个外外设设的的两两种种状状态态，1 1个个8 8位位的的状状态态端端口口则则可以反应外设的可以反应外设的8 8个状态信息个状态信息现在学习的是第14页，共38页总总之之，I/OI/O接接口口电电路路中中一一般般有有数数据据端端口口、命命令令端端口口以以及及状状态态端端口口，每每个个端端口口地地址址是是不不相相同同的的，CPUCPU均均通通过过数数据据总总线线来来传传送送三三种种端端口口的的数数据据。有有些些I/OI/O接接口口中中，还还有有中中断断控控制制逻逻辑辑电电路路，以以便便外外设设与与CPUCPU之之间间以以中中断断方方式式进进行行输输入入或输出，其优点是可以提高或输出，其优点是可以提高CPUCPU的工作效率的工作效率现在学习的是第15页，共38页5.3.2 I/O端口的编址方式端口的编址方式 端口端口是接口电路中能被是接口电路中能被CPUCPU直接访问的寄存器的地址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由于有的寄存器寄存的二进制信息专门用来被CPUCPU读取，有读取，有的寄存器用于专门接收的寄存器用于专门接收CPUCPU发出来的数据，因此，被发出来的数据，因此，被CPUCPU访访问的寄存器的地址分为输入端口和输出端口，故称为问的寄存器的地址分为输入端口和输出端口，故称为I/OI/O端端口口 微机给接口电路中的每个寄存器分配一个端口，即给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，当每个寄存器分配一个地址，当CPUCPU访问这些寄存器时，通访问这些寄存器时，通过执行过执行I/OI/O指令，由指令，由I/OI/O指令中给出的地址就从地址总线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，便可以上发出去，经接口电路中的地址译码器译码后，便可以选中选中I/OI/O指令中所指定的寄存器进行指令中所指定的寄存器进行R/WR/W访问访问 现在学习的是第16页，共38页 两种两种I/O端口的编址方式端口的编址方式一、统一编址一、统一编址 从内存空间划出一部分地址空间留给从内存空间划出一部分地址空间留给I/OI/O设备编址，设备编址，CPUCPU把把I/OI/O端口所指的寄存器当作存储单元进行访问，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直接用访问内存的指令访问I/OI/O寄存器，这种寄存器，这种I/OI/O端口端口的编址方式被称之为统一编址，或称为存储器映像的的编址方式被称之为统一编址，或称为存储器映像的I/OI/O编址方式编址方式现在学习的是第17页，共38页优点：优点：不需要设立专门的不需要设立专门的I/OI/O指令，用访问内存指令，用访问内存的指令就可以访问外设，指令类型多，功能齐全，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，逻辑运算以及移位还可以对端口进行算术运算，逻辑运算以及移位操作等。操作等。I/OI/O端口空间不受限制端口空间不受限制 缺点：缺点：是是I/OI/O端口占用了内存空间，减少了内存容端口占用了内存空间，减少了内存容量量统一编址优缺点统一编址优缺点现在学习的是第18页，共38页二、专门的二、专门的I/OI/O编址方式编址方式 接口电路中所有的接口电路中所有的I/OI/O端口统一编址，而所有端口统一编址，而所有I/OI/O端端口建立的地址空间与内存地址空间是两个独立的地址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空间，也常称这种方式为独立编址方式现在学习的是第19页，共38页 优优点点：不不占占用用内内存存空空间间，使使用用专专门门I/OI/O指指令令访访问问I/OI/O端口，端口，I/OI/O速度快速度快 缺缺点点：CPUCPU的的引引脚脚上上必必须须具具有有能能区区分分出出访访问问内内存存还还是是访访问问I/OI/O端端口口的的信信号号，作作为为I/OI/O接接口口电电路路中中端端口口译译码码电电路路以以及及存存储储器器片片选选译译码码电电路路的的输输入入信号信号专用I/O编址的优缺点现在学习的是第20页，共38页5.4.1 接口电路的主要功能接口电路的主要功能n设备选择功能设备选择功能n数据缓冲功能数据缓冲功能n接收和执行接收和执行CPUCPU命令的功能命令的功能n寄存外设状态的功能寄存外设状态的功能 n信号的转换功能信号的转换功能 n数据宽度变换的功能数据宽度变换的功能n可编程功能可编程功能 现在学习的是第21页，共38页5.5 CPU与与I/O设备传输数据的几种方式设备传输数据的几种方式CPUCPU以以及及I/OI/O设设备备的的种种类类繁繁多多，CPUCPU与与I/OI/O设设备备所所构构成成的的系系统统不不可可能能完完全全相相同同，CPUCPU与与I/OI/O设设备备之之间间传传输输数数据据的的方方式式也也不不完完全全相相同同，接接口口电电路路的结构与功能也不同，驱动程序也不相同的结构与功能也不同，驱动程序也不相同传传输输数数据据的的方方式式：无无条条件件I/OI/O传传送送方方式式、查查询式输入输出方式、中断控制方式、询式输入输出方式、中断控制方式、DMADMA方式方式.现在学习的是第22页，共38页一、无条件输入输出方式一、无条件输入输出方式无无条条件件输输入入输输出出方方式式是是一一种种最最简简单单的的输输入入/输输出出控控制制方方式式，其其I/OI/O接接口口电电路路及及软软件件比比较较简简单单，所所有有的的操操作作均均由执行程序来完成由执行程序来完成特特点点：输输入入接接口口电电路路总总是是准准备备好好了了等等待待输输入入给给CPUCPU的的数数据据，输输出出接接口口电电路路总总是是准准备备好好了了接接受受来来自自CPUCPU的的数数据据。CPUCPU无无须须查查询询I/OI/O设设备备是是否否准准备备就就绪绪，直直接接用用汇汇编编语语言言或或高高级级语语言言编编程程，实实现现输输入入或或输输出出操作操作 此此种种方方式式的的接接口口电电路路是是查查询询式式输输入入输输出出方方式式接接口口电路的基础电路的基础 现在学习的是第23页，共38页二、查询式输入输出方式二、查询式输入输出方式 1 1查询式输入方式查询式输入方式当当CPUCPU采用查询方式采用查询方式从外设读取数据时，从外设读取数据时，CPUCPU必须首先从状态端必须首先从状态端口查询外设的数据是否口查询外设的数据是否已经准备好，确认已准已经准备好，确认已准备好后，才能执行一次备好后，才能执行一次数据输入操作数据输入操作 现在学习的是第24页，共38页例例：假假设设状状态态端端口口与与数数据据端端口口的的地地址址分分别别为为300H300H和和301H301H，状状态态信息从数据总线上的信息从数据总线上的D D0 0位读入位读入CPUCPU中，查询式输入程序段如下：中，查询式输入程序段如下：MOV DX MOV DX，300H 300H；状态口地址传送给状态口地址传送给DXDXABCABC：IN ALIN AL，DX DX；读入状态信息；读入状态信息 TEST AL TEST AL，01H 01H；AL01HAL01H，影响，影响ZFZF标志标志 JZ ABC JZ ABC；如果状态信息为如果状态信息为0 0转转ABCABC MOV DX MOV DX，301H301H；数据端口地址传送给；数据端口地址传送给DXDX IN AL IN AL，DX DX ；读入数据信息读入数据信息现在学习的是第25页，共38页2 2查询式输出方式查询式输出方式当当CPUCPU采用查询方式向外采用查询方式向外设输出数据时，设输出数据时，CPUCPU必须首必须首先从状态端口查询外设是先从状态端口查询外设是否已经作好了接受否已经作好了接受CPUCPU数据数据的准备，若没有准备好，的准备，若没有准备好，则要继续查询，若准备好则要继续查询，若准备好了，了，CPUCPU便执行一次数据输便执行一次数据输出操作出操作 现在学习的是第26页，共38页例例：假假设设状状态态端端口口与与数数据据端端口口的的地地址址分分别别为为3FOH3FOH和和3F1H3F1H，状态信息从数据线上状态信息从数据线上D D7 7位读入位读入CPUCPU中，查询式输出程序段如下：中，查询式输出程序段如下：MOV DX MOV DX，3F0H 3F0H；状态口地址传送给状态口地址传送给DXDXCBACBA：IN ALIN AL，DX DX；读入状态信息读入状态信息 TEST AL TEST AL，80H 80H；AL80H AL80H，影响，影响ZFZF标志标志 JZ CBA JZ CBA；如果状态信息为如果状态信息为0 0则转则转CBACBA MOV DX MOV DX，3F1H 3F1H；数据端口地址传送给数据端口地址传送给DXDX MOV AL MOV AL，SI SI；从内存读取数据给从内存读取数据给ALAL OUT DX OUT DX，AL AL ；向数据口输出数据向数据口输出数据 现在学习的是第27页，共38页3 3查询式输入输出方式存在的问题查询式输入输出方式存在的问题现在学习的是第28页，共38页 从从图图可可以以看看出出，当当CPUCPU与与I/OI/O设设备备之之间间采采用用查查询询式式输输入入输输出出方方式式交交换换数数据据时时，CPUCPU必必须须顺顺序序查查询询每每一一个个外外设设，当当某某一一个个外外设设不不需需要要服服务务时时，CPUCPU也也得得按按顺顺序序查查询询一一次次。外外设设总总是是处处于于被被动动状状态态，CPUCPU无无法法快快速速响响应应外外设设要要求求及及时时服服务务的的请请求求。CPUCPU为为了了服服务务外外设设，其其它它程程序序会会停停止止执执行行，所所以以，查查询询式式I/OI/O方方式式不不可可能能是是微微型型计计算算机机外外设设工工作作的的最佳选择，不适用于实时监控系统最佳选择，不适用于实时监控系统 现在学习的是第29页，共38页三、中断方式输入输出三、中断方式输入输出中断中断是外设或者其他中断源中止是外设或者其他中断源中止CPUCPU当前正在执行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程序的断点处，接着执行原来的程序现在学习的是第30页，共38页运用中断控制方式实现外设数据的输入输出，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，所有的中断控制方式下，所有的I/OI/O设备都可以工作设备都可以工作在主动请求在主动请求CPUCPU为该外设服务的状态下，一旦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，则一个或多个外设申请中断服务，则CPUCPU根据各根据各I/OI/O设备预先被设置的中断优先级别，逐个予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，实现中以响应，并进行中断处理、中断返回，实现中断处理的全过程断处理的全过程 现在学习的是第31页，共38页 2个中断源中断过程的示意图个中断源中断过程的示意图 现在学习的是第32页，共38页中断控制方式的输入输出是微机中常用的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，一门技术，采用中断技术后，CPUCPU能与所有能与所有的外设并行工作，能及时服务外设，并处理的外设并行工作，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。能，提高计算机的运行速度。现在学习的是第33页，共38页四、直接存储器存取（四、直接存储器存取（DMADMA）方式）方式1 1什么是什么是DMADMA？DMADMA（Direct Memory AccessDirect Memory Access）即直接存储器存取方式，）即直接存储器存取方式，是指在专门的是指在专门的DMADMA控制器的控制下实现外围设备与内存储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，数据传输不经过输不经过CPUCPU，传送的速度，传送的速度 就只取决于存储器和外设的就只取决于存储器和外设的工作速度工作速度。在这种方式下，数据传输不经过在这种方式下，数据传输不经过CPUCPU，传，传送的速度就只取决于存储器和外设的工作速度送的速度就只取决于存储器和外设的工作速度 现在学习的是第34页，共38页微型计算机在一般情况下，由微型计算机在一般情况下，由CPUCPU管理数据总管理数据总线、地址总线以及控制总线，当系统有线、地址总线以及控制总线，当系统有DMADMA请求请求时，时，CPUCPU便让出三种总线的控制权，或让出有关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，转由这三种总线的全局总线，转由DMACDMAC控制三种总控制三种总线实现高速外存与内存之间数据的交换。由线实现高速外存与内存之间数据的交换。由DMACDMAC控制数据传送结束后，控制数据传送结束后，DMADMA向向CPUCPU撤除撤除DMADMA请请求，交还三总线控制权给求，交还三总线控制权给CPUCPU，于是结束一次，于是结束一次DMADMA传输的过程传输的过程2 2DMADMA系统的基本组成系统的基本组成现在学习的是第35页，共38页3 3DMADMA传送的基本原理传送的基本原理现在学习的是第36页，共38页DMA方式传送的主要步骤方式传送的主要步骤外设准备就绪时，向外设准备就绪时，向DMA控制器控制器发发DMA请求，请求，DMA控制器接到此信控制器接到此信号后，向号后，向CPU发发HOLD请求；请求；CPU接到接到HOLD请求后，如果条件请求后，如果条件允许（一个总线操作结束），则发允许（一个总线操作结束），则发出出HLDA信号作为响应，同时，放信号作为响应，同时，放弃对总线的控制；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，每传送号，每传送1个字节，就会自动修改地址寄存器的内容，以个字节，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；指向下一个要传送的字节；每每传传送送一一个个字字节节，字字节节计计数数器器的的值值减减1，当当减减到到0时时，DMA过过程程结束；结束；现在学习的是第37页，共38页DMA控控制制器器向向CPU发发结结束束信信号号，将将总总线线控控制制权交回权交回CPU。DMA传传送送控控制制方方式式，解解决决了了在在内内存存的的不不同同区区域域之之间间，或或者者内内存存与与外外设设之之间间大大量量数数据据的的快快速速传传送送问问题题，代代价价是是需需要要增增加加专专门门的的硬硬件件控控制电路，称为制电路，称为DMA控制器，控制器，其复杂程度与其复杂程度与CPU相当。相当。现在学习的是第38页，共38页