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第5章数据传输1本讲稿第一页，共五十二页第5章 微型计算机和外设的数据传输5.1 为什么要用接口电路5.2 CPU和I/O设备之间的信号5.3 接口部件的I/O端口5.4 CPU和外设之间的数据传送方式2本讲稿第二页，共五十二页5.1 为什么要用接口电路各外设使用不同的操作方法不用接口，降低CPU的效率不用接口，外设结构依赖CPU，不利于外设的发展CPU和外设信号传输处理的速度不匹配CPU和外设的信息类型和格式不同nI/O接口电路是位于主机系统与外设间，用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路3本讲稿第三页，共五十二页q I/O接口的主要功能地址译码功能信息传送控制功能信息缓冲、锁存及驱动功能信息变换功能（类型、格式及电平变换）4本讲稿第四页，共五十二页v 输出接口的锁存内部数据总线外部数据引脚锁存控制DCQDCQDCQ5本讲稿第五页，共五十二页v 输出接口的锁存、缓冲内部数据总线外部数据引脚锁存控制DCQDCQDCQ读数据6本讲稿第六页，共五十二页v 输入接口的缓冲内部数据总线外部数据引脚选通缓冲器7本讲稿第七页，共五十二页v 输入接口的锁存、缓冲内部数据总线外部数据引脚锁存控制锁存器缓冲器DCDCDCQQQ选通8本讲稿第八页，共五十二页5.2 CPU和I/O设备之间的信号qCPU与外设之间需要相互交换的信息：数据信息：数字量、模拟量、开关量状态信息：反映当前外设所处的工作状态。CPU通过接口电路掌握外设的状态，以决定是否输入/输出数据控制信息CPU送至外设的信息，用以控制外设的工作，如启动或停止I/O设备等。控制信息还包括对接口工作状态的控制。9本讲稿第九页，共五十二页q值得注意：状态信息、控制信息、数据信息在CPU与接口间都是通过数据总线交换的。这三类信息进入接口内不同的寄存器中。数据寄存器保存外设给CPU和CPU发往外设的数据状态寄存器保存外设或接口电路的状态控制寄存器保存CPU给外设或接口电路的命令10本讲稿第十页，共五十二页q I/O接口的典型结构控制总线CB地址总线ABI/O接口电路数据控制状态数据总线DBCPU外设控制寄存器状态寄存器数据寄存器11本讲稿第十一页，共五十二页q 接口电路的外部特性主要体现在引脚上面向CPU的信号：用于与CPU连接主要是数据、地址和控制信号面向外设的信号：用于与外设连接提供的信号多样功能定义、时序及有效电平等差异较大12本讲稿第十二页，共五十二页q接口电路的可编程性接口电路常具有多种功能和工作方式，可以通过编程的方法选定其中一种接口软件有两类：初始化程序段设定芯片工作方式等数据交换程序段管理、控制、驱动外设，负责外设和系统间信息交换13本讲稿第十三页，共五十二页5.3 接口部件的I/O端口1.I/O端口（PORT）n接口中能被CPU直接访问的寄存器或特定硬件电路称为I/O端口，I/O端口的编码为端口地址。n一个接口部件可以有多个I/O端口，每个端口用来保存和交换不同的信息。n数据寄存器、状态寄存器和控制寄存器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。n输入、输出端口可以共用同一个I/O端口地址。14本讲稿第十四页，共五十二页统一编址独立编址2.I/O端口编址方式3.8086的输入输出指令的执行15本讲稿第十五页，共五十二页输入指令输入指令16本讲稿第十六页，共五十二页输出指令17本讲稿第十七页，共五十二页4.I/O端口地址译码1）固定式译码电路n采用门电路构成n采用译码器电路构成，如74LS1382）可选式译码电路n简单可选式译码电路n使用比较器+地址开关方法18本讲稿第十八页，共五十二页门电路译码19本讲稿第十九页，共五十二页译码器电路构成Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5Y6 Y7A5A6 A7A8A9 AENIOWAB CG2BG2AG17474LS138LS138DMA CS（8237）INTR CS（8259）T/C CS（8253）PPI CS（8255）WRTDMAPG（写DMA页面寄存器）WRTNMIREG（写NMI屏蔽寄存器）IBM PC/XT主机板的I/O译码电路20本讲稿第二十页，共五十二页简单可选式译码电路21本讲稿第二十一页，共五十二页使用比较器+地址开关方法74LS688比较器：当P07Q07时，输出高电平。当P07=Q07时，输出低电平。22本讲稿第二十二页，共五十二页5.4 CPU和外设之间的数据传送方式q为了实现CPU与外设的数据传送，微机中通常采用4种方式：程序方式中断方式DMA方式IOP方式CPU委托专门的I/O处理机来管理外设，完成传送和相应的数据处理23本讲稿第二十三页，共五十二页1.程序方式程序控制传送是由CPU执行程序来控制主机与外设间的数据交换，何时进行数据传送由编程确定。根据外设的特点，程序方式又可分为:无条件传送方式查询传送方式24本讲稿第二十四页，共五十二页1）无条件传送方式无条件传送方式对固定的外设在规定的时间用I/O指令来进行信息传送，不必查询外设的状态。这种方式要求当程序执行I/O指令时，相应的外设必须已为传送数据做好了准备。当外设没有准备好时，传送会出错。25本讲稿第二十五页，共五十二页（1）无条件传送方式的输入接口电路MOV DX,160HINAL,DX26本讲稿第二十六页，共五十二页无条件传送：输入实例MOV DX,160HIN AL,DX74LS244+5V10K x 8G1 G2数据总线CSRD27本讲稿第二十七页，共五十二页（2）无条件传送方式的输出接口电路MOV DX,160HMOV AL,BXOUT DX,AL28本讲稿第二十八页，共五十二页无条件传送：输出实例MOV DX,160HMOV AL,BXOUT DX,AL+5V74LS373300 x 8LE OE数据总线CSWR29本讲稿第二十九页，共五十二页2）查询传送方式查询传送方式在传送数据前先查询外设的状态当外设准备好：传送数据当外设未准备好：CPU等待查询传送方式要求CPU与外设间的接口电路需要两个端口：数据信息端口状态信息端口30本讲稿第三十页，共五十二页q查询传送的两个环节查询环节寻址状态口读取状态寄存器的标志位若不就绪就继续查询，直至就绪传送环节寻址数据口是输入，通过输入指令从数据端口读入数据是输出，通过输出指令向数据端口输出数据输入状态输入状态就绪？就绪？数据交换数据交换YN31本讲稿第三十一页，共五十二页(1)查询传送方式下的输入接口电路DataStatus32本讲稿第三十二页，共五十二页（2）查询方式下的输出接口电路M/IODataStatus内存Store单元的内容送输出设备33本讲稿第三十三页，共五十二页例：一个数据采集系统 34本讲稿第三十四页，共五十二页数据采集过程的程序段START：MOV DL，0F8H MOV AX，SEG DSTOR MOV ES，AX LEA DI，DSTORAGAIN：MOV AL，DL AND AL，0EFH OUT 04，AL CALL DELAY MOV AL，DL OUT 04，ALPOLL：IN AL，02SHR AL，1JNC POLLIN AL，03STOSBINC DLJNE AGAIN35本讲稿第三十五页，共五十二页n查询传送方式的优点：能较好地协调外设与CPU之间的定时关系，因而比无条件传送方式容易实现准确传送。n查询传送方式的缺点：该方式需要不断查询外设的状态，大量时间花在等待循环中，当主机与中、低速外设交换信息时，大大降低了CPU的利用率。36本讲稿第三十六页，共五十二页2.中断方式中断源为外设。中断传送方式同查询方式一样，也是在程序控制下进行数据传送的。1）查询与中断的区别查询中断CPU处于主动，外设被动外设主动申请，迫使CPU为数据传送服务至少有两个端口至少有一个端口，将查询方式下的状态信息转换为请求信号不分主程序和服务程序分主程序和服务程序。通过执行中断服务程序来进行数据传送37本讲稿第三十七页，共五十二页2）一个简化的输入设备的中断接口电路中断请求触发器38本讲稿第三十八页，共五十二页3）中断传送流程39本讲稿第三十九页，共五十二页3.DMA方式直接存储器存取（Direct Memory Access）方式简称DMA方式。该方式通过硬件控制实现两种存储介质（内存、I/O端口）之间直接数据传送，在传送过程中无需CPU干预。对DMA方式的数据传送过程进行控制的硬件电路称为DMA控制器，简称DMAC。它是一个特殊的接口电路。40本讲稿第四十页，共五十二页1）DMA传送方式的提出中断方式不适用于大批量数据的高速传输程序控制I/O；有额外开销。DMA 方式适用于大批量数据的高速传送硬件控制控制实现直接快速传送（DMAC）无程序切换的额外开销41本讲稿第四十一页，共五十二页能接受外设或软件的DMA请求，并及时向CPU发出总线请求信号。在接受CPU总线响应信号后，能接管对总线的控制，进入DMA方式。能发出地址信息，对内存或I/O端口寻址，能自动修改地址寄存器的值。能发出读/写控制信号。能决定传送的字节数及判断DMA传送是否结束。能发出DMA结束信号，释放总线，使CPU恢复正常工作。2）DMAC的基本功能42本讲稿第四十二页，共五十二页3）DMA传送方式依据DMAC何时归还总线控制权分类。单数据传送方式DMAC向CPU发出一次总线请求，在占用总线后进入DMA方式，只传送一个数据，便释放总线，恢复CPU总线控制权。数据块传送方式在DMA请求获准后，由DMAC保持总线控制权，连续占用若干个总线周期进行连续的批量数据传送，直到整个数据块传送结束或者DMAC接到来自外部的一个过程结束信号，DMAC才释放总线而返回到CPU控制。43本讲稿第四十三页，共五十二页4）DMAC的内部最小配置和接口要求44本讲稿第四十四页，共五十二页5）DMAC的两种工作状态和外部引线被控状态CPU控制总线，DMAC作为一个可编程的标准I/O接口。主控状态DMAC掌握系统总线的控制权，作为一个专用处理器，执行预订的DMA传送。（1）DMAC的两种工作状态45本讲稿第四十五页，共五十二页（2）DMAC的外部引线与I/O接口的连接线HOLD/HLDA作为DMAC寻址I/O端口的引线与CPU的连接线采用中断方式通知CPU进行结果处理46本讲稿第四十六页，共五十二页6）DMA传送的三个阶段传送前预处理；正式传送；传送后处理。n传送前预处理(初始化设置)n设置字节计数器初值，以决定数据传输长度n设置地址寄存器初值，以决定内存存取区首地址n设置控制字，以决定传送方向、传送方式、启动DMA操作等n对接口部件设置控制字，以决定数据传送方向、启动I/O操作47本讲稿第四十七页，共五十二页q正式传送外设接口、DMAC和CPU三者通过应答信号建立联系：CPU将总线交给DMAC控制。DMA传送DMA读存储器：存储器 外设DMA写存储器：存储器 外设自动增减地址和计数，判断传送完成否。48本讲稿第四十八页，共五十二页q传送后处理由字节计数器的值为0引发中断请求。CPU 响应中断，转入中断服务。检查是否结束数据传送发新的DMA操作命令出错时转错误诊断和处理程序。49本讲稿第四十九页，共五十二页7）用DMA方式传输数据的流程50本讲稿第五十页，共五十二页4.传送方式的比较无条件传送：慢速外设需与CPU保持同步。查询传送：简单实用，效率较低。中断传送：外设主动，可与CPU并行工作，但每次传送需要大量额外时间开销。DMA传送：DMAC控制，外设直接和存储器进行数据传送，适合大量、快速数据传送。51本讲稿第五十一页，共五十二页小结n为什么要用接口电路？I/O接口的主要功能，接口的数据缓冲与锁存；nCPU与外设之间需交换的信息，I/O接口的典型结构及其特性：外部特性和可编程特性；nI/O端口的概念及I/O端口的编址方法，输入输出指令的执行，I/O端口地址译码；nCPU和外设之间的数据传送方式：程序（无条件和查询）传送方式的I/O接口电路及其编程；中断方式与查询传送方式的区别，中断接口电路的工作过程及中断传送流程；DMA传送方式的提出，DMA控制器的功能和DMA传送的原理，DMA方式传输数据的流程。52本讲稿第五十二页，共五十二页