【教学课件】第5章微机与外设的数据传输.ppt

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1、微型计算机技术微型计算机技术第第5 5章章 微机与外设的数据传输微机与外设的数据传输l微机中接口的基本概念微机中接口的基本概念l接口的功能接口的功能l接口电路的基本结构接口电路的基本结构l端口的概念端口的概念lI/OI/O端口的编址方式端口的编址方式lCPUCPU与输入与输入/输出设备之间的信号输出设备之间的信号lCPUCPU和外设之间的数据传送方式和外设之间的数据传送方式无条件传送方式无条件传送方式查询方式查询方式中断方式中断方式微型计算机技术微型计算机技术5.1 I/O5.1 I/O接口概述接口概述5.1.1 5.1.1 使用接口电路的原因使用接口电路的原因接接口口可可起起到到CPUCPU

2、与与不不同同外外设设进进行行串串行行、并并行行信信息息的的转换作用转换作用接口可起到模接口可起到模/数与数数与数/模的转换作用模的转换作用非非数数字字式式信信号号必必须须经经过过转转换换，使使其其成成为为对对应应的的数数字字信信号号才才能能送送到到计计算算机机总总线线。这这种种A/DA/D，D/AD/A转换是通过接口来完成的。转换是通过接口来完成的。接口对接口对I/OI/O过程起到缓冲和联络作用过程起到缓冲和联络作用解决外设存取速度和解决外设存取速度和CPUCPU速度不匹配的问题速度不匹配的问题n输输入入输输出出（I/OI/O）接接口口：是是把把外外部部设设备备与与微微型型计计算算机机连连接起

3、来实现数据传送的控制电路。接起来实现数据传送的控制电路。微型计算机技术微型计算机技术外设必须通过接口电路与微机系统总线相连接外设必须通过接口电路与微机系统总线相连接数数据据总总线线控控制制总总线线地地址址总总线线数据线数据线控制线控制线状态线状态线接口电路接口电路外外部部设设备备微型计算机技术微型计算机技术5.1.2 5.1.2 接口电路的分类接口电路的分类l 按通用性分按通用性分类类通用接口：可供多种外部设备使用的标准接口，目通用接口：可供多种外部设备使用的标准接口，目的是使微机正常工作。的是使微机正常工作。通常制造成集成电路芯片，也称为接口芯片。通常制造成集成电路芯片，也称为接口芯片。最初

4、的最初的IBM-PCIBM-PC使用的接口芯片：使用的接口芯片：82848284、82888288、82558255、82598259、82378237、82538253后来的微机将这些芯片集成为大规模集成电路芯片，称为后来的微机将这些芯片集成为大规模集成电路芯片，称为芯片组。芯片组。专用接口：为某种用途或某类外设而专门设计的接专用接口：为某种用途或某类外设而专门设计的接口电路，目的在于扩充微机系统的功能。口电路，目的在于扩充微机系统的功能。通常制造成接口卡，插在主板总线插槽上使用通常制造成接口卡，插在主板总线插槽上使用通用接口和专用接口的界限并不严格。通用接口和专用接口的界限并不严格。微型计

5、算机技术微型计算机技术接口电路的分类接口电路的分类l按可编程性分类按可编程性分类v 简单的输入简单的输入/输出输出接口芯片接口芯片如锁存器如锁存器74LS37374LS373、单向缓冲器、单向缓冲器74LS24474LS244、双向缓、双向缓冲器（数据收发器）冲器（数据收发器）74LS24574LS245等。等。v 可编程接口芯片：其可编程接口芯片：其功能可以由软件来选用控制。功能可以由软件来选用控制。如并行输入输出接口如并行输入输出接口82558255、定时器、定时器/计数器计数器82538253、中断控制器中断控制器82598259、DMADMA控制器控制器82378237等。等。微型计算

6、机技术微型计算机技术5.1.3 5.1.3 接口电路的功能接口电路的功能l简单地说，一个接口的基本功能是在系统总线和简单地说，一个接口的基本功能是在系统总线和I/OI/O设备之间设备之间传输信号，提供缓冲作用，以满足接口两边的时序要求。接传输信号，提供缓冲作用，以满足接口两边的时序要求。接口的功能概括如下：口的功能概括如下：寻址功能寻址功能输入输入/输出功能输出功能 数据转换功能数据转换功能联络功能联络功能中断管理功能中断管理功能可编程功能可编程功能复位功能复位功能错误检测功能错误检测功能*对于一个具体的接口来说，未必全部具备这些功能，但必定对于一个具体的接口来说，未必全部具备这些功能，但必定

7、具备其中的几个功能。具备其中的几个功能。微型计算机技术微型计算机技术5.1.4 5.1.4 接口电路的基本结构接口电路的基本结构数据线数据线控制线控制线状态线状态线DBCBAB数据输入寄存器数据输入寄存器(or 三态门三态门)数据输出寄存器数据输出寄存器(锁存器锁存器)状态寄存器状态寄存器(or 三态门三态门)命令寄存器命令寄存器译码译码电路电路控制控制逻辑逻辑微型计算机技术微型计算机技术接口与端口接口与端口l接口接口是每个外设或每种外设与微处理器相连时使用的是每个外设或每种外设与微处理器相连时使用的电路。电路。l一般在接口的内部除了与外设打交道的工作电路外，一般在接口的内部除了与外设打交道的

8、工作电路外，还包含一组程序可访问的寄存器，这些寄存器可以具还包含一组程序可访问的寄存器，这些寄存器可以具有相互独立的地址，也可以几个一组，共用一个地址。有相互独立的地址，也可以几个一组，共用一个地址。这样的寄存器或寄存器组称为输入这样的寄存器或寄存器组称为输入/输出输出端口端口（I/O I/O portport）。）。lCPUCPU以访问端口的形式来访问接口。进而以访问端口的形式来访问接口。进而CPUCPU通过这些通过这些端口与该接口所连接的外部设备进行信息交换。端口与该接口所连接的外部设备进行信息交换。为传递的数据提供缓冲、锁存等功能的称为为传递的数据提供缓冲、锁存等功能的称为数据端口数据端

9、口。用来保存设备和接口的状态信息，供用来保存设备和接口的状态信息，供CPUCPU查询的称为查询的称为状态端状态端口口。用来保存用来保存CPUCPU发出的命令，以控制接口与外部设备的执行动发出的命令，以控制接口与外部设备的执行动作的称为作的称为控制（或命令）端口控制（或命令）端口。微型计算机技术微型计算机技术接口与端口接口与端口l接口上可以包含唯一的端口接口上可以包含唯一的端口,也可以包含几个端口。也可以包含几个端口。l对对CPUCPU程序来说，接口仅是一个笼统的概念，而接口程序来说，接口仅是一个笼统的概念，而接口中的各个端口寄存器是中的各个端口寄存器是CPUCPU程序与接口打交道的具体程序与接

10、口打交道的具体对象。对象。l端口的地址和端口的数据是程序唯一可见的内容，而端口的地址和端口的数据是程序唯一可见的内容，而接口和外设在程序中是无法直接反映出来的。接口和外设在程序中是无法直接反映出来的。l端口一般分为数据端口、状态端口和控制端口。端口一般分为数据端口、状态端口和控制端口。微型计算机技术微型计算机技术 5.1.5 5.1.5 I/OI/O端口的编址方式端口的编址方式u端口有两种编址方式：统一编址和独立编址。端口有两种编址方式：统一编址和独立编址。l 统一编址：把外设接口与内存统一进行编址。各占统一编址：把外设接口与内存统一进行编址。各占据统一地址空间的不同部分。利用对存储器的读写操

11、据统一地址空间的不同部分。利用对存储器的读写操作完成数据的输入和输出。作完成数据的输入和输出。优点优点可使用全部对存储器操可使用全部对存储器操作指令，指令多，方便作指令，指令多，方便灵活；灵活；访问控制信号统一。访问控制信号统一。缺点缺点内存可用地址空间减小；内存可用地址空间减小；寻址地址线数多，译码寻址地址线数多，译码复杂。复杂。0000H地址空间(共1MB)内存地址(960KB)I/O地址(64KB)FFFFFHEFFFFHF0000H微型计算机技术微型计算机技术I/OI/O端口的编址方式端口的编址方式 l独立编址：独立编址：计算机单独给外设端口编址，外设地址空计算机单独给外设端口编址，外

12、设地址空间和内存地址空间间和内存地址空间相互独立相互独立。lPCPC系列系列机采用机采用I/OI/O端口独立编址方式端口独立编址方式优点：内存地址空间不受优点：内存地址空间不受I/OI/O编址的影响；编址的影响；I/OI/O空间较存储器空间较存储器空间小，地址线少，译码电路简单。空间小，地址线少，译码电路简单。缺点：要有专门输入输出指令；缺点：要有专门输入输出指令；I/O I/O指令功能较弱，寻址方指令功能较弱，寻址方式少，不灵活。式少，不灵活。8 80 08 88 8总线A19-A0A9-A0MEMR、MEMWIOR、IOW、AEN存储器存储器输入输入/输出输出微型计算机技术微型计算机技术5

13、.1.6 8086 的的I/O编址编址把端口地址放在把端口地址放在DXDX寄存器中，对该端口进行读写，寄存器中，对该端口进行读写，可寻址的端口号为可寻址的端口号为0 065535(FFFFH)65535(FFFFH)IN AL,DXIN AL,DX OUT DX,AL OUT DX,AL端口地址小于或等于端口地址小于或等于FFH(255)，可以用立即数表示可以用立即数表示端口地址。端口地址。IN AL,42HOUT 43H,AL微型计算机技术微型计算机技术5.2 CPU与输入与输入/输出设备之间的信号输出设备之间的信号 CPUCPU和和I/OI/O设备之间的信号分类设备之间的信号分类数据信息数

14、据信息数字量数字量模拟量模拟量开关量开关量状态信息：对于输入设备来说，用状态信息：对于输入设备来说，用READYREADY信号来标明待信号来标明待输入的数据是否准备就绪。对于输出设备来说，用输入的数据是否准备就绪。对于输出设备来说，用BUSYBUSY信号来表示输出设备是否处于空闲状态。信号来表示输出设备是否处于空闲状态。控制信息：如外设的启动信号和停止信号就是常见的控制信息：如外设的启动信号和停止信号就是常见的控制信息。控制信息。微型计算机技术微型计算机技术5.3 CPU5.3 CPU和外设之间的数据传送方式和外设之间的数据传送方式接口电路控制数据信号的传送，这种传送操作是在接口电路控制数据信

15、号的传送，这种传送操作是在CPU的监控下实现的。对于的监控下实现的。对于CPU而言，数据传送就而言，数据传送就是输入输出操作，控制接口的传送操作有三种方式：是输入输出操作，控制接口的传送操作有三种方式：l程序方式程序方式无条件传送方式无条件传送方式条件传送方式（查询方式传送）条件传送方式（查询方式传送）l中断方式中断方式lDMA方式（方式（DMA控制控制I/O方式）方式）微型计算机技术微型计算机技术5.3.1 5.3.1 程序方式程序方式程序方式传送是指在程序控制下进行信息传送，又程序方式传送是指在程序控制下进行信息传送，又可分为无条件传送和条件传送方式。可分为无条件传送和条件传送方式。p 无

16、条件传送方式无条件传送方式若程序员能够确信一个外设已经准备就绪，就不若程序员能够确信一个外设已经准备就绪，就不必查询外设的状态而进行信息传输，这称为无条必查询外设的状态而进行信息传输，这称为无条件传送方式。件传送方式。在无条件传送方式下，程序设计较简单。在无条件传送方式下，程序设计较简单。微型计算机技术微型计算机技术无条件传送输入的例子：无条件传送输入的例子：MOV DX,160HINAL,DX无条件传送输出的例子：无条件传送输出的例子：MOV DX,160HMOV AL,BXOUT DX,AL微型计算机技术微型计算机技术p条件传送方式（查询方式）条件传送方式（查询方式）CPUCPU通过执行程

17、序不断读取并测试外设的状态，根据通过执行程序不断读取并测试外设的状态，根据外设的工作状态控制外设的输入外设的工作状态控制外设的输入/输出，即查询方式。输出，即查询方式。在此传送方式下，一个数据传送到接口，其过程由在此传送方式下，一个数据传送到接口，其过程由3 3个环节组成：个环节组成：CPUCPU从接口中读取状态字从接口中读取状态字CPUCPU检测状态字的对应位是否满足检测状态字的对应位是否满足“就绪就绪”条件，如果不满条件，如果不满足，则回到前一步读取状态字。足，则回到前一步读取状态字。如执行输入方式时状态字表明外设已处于如执行输入方式时状态字表明外设已处于“就绪就绪”状态，状态，则传送数据

18、。执行输出方式时状态字表明外设已处于则传送数据。执行输出方式时状态字表明外设已处于“空空闲闲”状态，则传送数据。状态，则传送数据。微型计算机技术微型计算机技术查询式传送输入的例子：查询式传送输入的例子：清零与读操作启动转换读状态微型计算机技术微型计算机技术电路原理分析：电路原理分析：启动启动ADC以后，转换结束时产生以后，转换结束时产生EOC信号，把转换信号，把转换结果锁存至锁存器，把状态触发器置为结果锁存至锁存器，把状态触发器置为1，表示数据，表示数据已经准备好。已经准备好。1.控制端口控制端口写写164H端口端口，译码器输出和，译码器输出和IOW信信号同时有效，启动号同时有效，启动ADC转

19、换。转换。2.状态端口状态端口读读162H端口端口，译码器输出和，译码器输出和IOR信信号同时有效，打开通过号同时有效，打开通过D0读取状态信息。读取状态信息。3.数据端口数据端口读读160H端口端口，译码器输出和，译码器输出和IOR信信号同时有效，打开三态缓冲器，从号同时有效，打开三态缓冲器，从D7D0读入数据读入数据，同时清除状态信息。同时清除状态信息。负脉冲微型计算机技术微型计算机技术程序示例：程序示例：从从ADC读取一个数据到读取一个数据到AL。READ ：MOV DX,160HIN AL,DX ；清状态；清状态MOV DX,164H OUT DX,AL ；启动；启动ADCREAD1：

20、MOV DX,162HIN AL,DX ；查询状态查询状态TEST AL,1 ；同；同01H进行与运算进行与运算JZ READ1MOV DX,160HIN AL,DX ；读取数据；读取数据RET微型计算机技术微型计算机技术查询式传送输出的例子：查询式传送输出的例子：启动外设数据准备好取走数据否清除状态微型计算机技术微型计算机技术电路原理说明：电路原理说明：写到写到164H端口端口，产生，产生一个负脉冲来启动外设开始一个负脉冲来启动外设开始工作。工作。写数据到写数据到160H端口端口，CPU输出数据到锁存器，同输出数据到锁存器，同时置时置“1”状态触发器，为外设提供状态信息：状态触发器，为外设提

21、供状态信息：“数据已准备好数据已准备好”。读取读取162H端口端口，CPU查询状态，看外设是否取走查询状态，看外设是否取走数据。（外设取走数据，则将发出数据。（外设取走数据，则将发出ACK信号，清信号，清除状态触发器）除状态触发器）微型计算机技术微型计算机技术程序示例：将程序示例：将AL中的数据输出。中的数据输出。WRITE ：MOV DX,164HOUT DX,AL ；启动外设；启动外设MOV DX,160HOUT DX,AL；输出数据；输出数据MOV DX,162HWRITE1:IN AL,DX；查询状态查询状态TEST AL,1JNZ WRITE1RET微型计算机技术微型计算机技术查询方

22、式特点查询方式特点l通过查询实现通过查询实现CPUCPU与外设间的同步联络与外设间的同步联络lCPUCPU和外设串行工作和外设串行工作l接口电路简单接口电路简单lCPUCPU使用率不高，用使用率不高，用CPUCPU的等待实现与外设的同步的等待实现与外设的同步微型计算机技术微型计算机技术5.3.2 5.3.2 中断方式中断方式l中断方式：当外设做好传送准备后，主动向中断方式：当外设做好传送准备后，主动向CPUCPU请求请求中断，中断，CPUCPU响应中断后在中断处理程序中与外设交换响应中断后在中断处理程序中与外设交换数据。若外设未准备好，数据。若外设未准备好，CPUCPU可以执行其他程序，提可以

23、执行其他程序，提高了高了CPUCPU的利用率。的利用率。每条指令完成后，每条指令完成后，CPUCPU均可响应中断，因此当设备准备好时，均可响应中断，因此当设备准备好时，可及时与可及时与CPUCPU交换数据，提高了实时性。交换数据，提高了实时性。被外界中断时，程序中下一条指令所在处称为断点。被外界中断时，程序中下一条指令所在处称为断点。中断传送方式就是外部设备中断中断传送方式就是外部设备中断CPUCPU的工作，使的工作，使CPUCPU停止执停止执行当前程序，而去执行一个数据输入行当前程序，而去执行一个数据输入/输出的程序（该程序输出的程序（该程序称为中断处理子程序或中断服务子程序）。中断子程序执

24、称为中断处理子程序或中断服务子程序）。中断子程序执行完毕后，行完毕后，CPUCPU又返回来执行原来的程序。又返回来执行原来的程序。微型计算机技术微型计算机技术中断中断I/OI/O的一般过程的一般过程a.数据传送数据传送b.中断响应中断响应c.中断请求中断请求CPU接口接口外外设设微型计算机技术微型计算机技术中断优先级解决办法（中断优先级解决办法（1 1）l软件查询方式：借助于简单的硬件电路。软件查询方式：借助于简单的硬件电路。优点：省硬件，不需要有判断优先级的硬件排队优点：省硬件，不需要有判断优先级的硬件排队电路，而是用程序的优先级来确定设备的优先级。电路，而是用程序的优先级来确定设备的优先级

25、。缺点：由设备发出中断请求信号到缺点：由设备发出中断请求信号到CPUCPU转入相应转入相应的服务程序入口的时间较长，特别是在中断源较的服务程序入口的时间较长，特别是在中断源较多时，查询程序段较长，转入服务程序所花的时多时，查询程序段较长，转入服务程序所花的时间较长。间较长。微型计算机技术微型计算机技术中断优先级解决办法（中断优先级解决办法（2 2）l简单硬件方式简单硬件方式菊花链法菊花链法CPU以及总线控制逻辑INTAINTR设备3接口菊花链逻辑电路中断回答中断请求设备2接口菊花链逻辑电路中断回答中断请求设备1接口菊花链逻辑电路中断回答中断请求微型计算机技术微型计算机技术菊花链逻辑电路菊花链逻

26、辑电路中断回答中断请求INTAINTR微型计算机技术微型计算机技术中断优先级解决办法（中断优先级解决办法（3 3）l专用硬件方式专用硬件方式在微机系统中解决中断优先级管理的常用办法是采在微机系统中解决中断优先级管理的常用办法是采用可编程的中断控制器。在用可编程的中断控制器。在80868086系统中多用系统中多用8259A8259A。可编程中断控制器中的中断类型寄存器、屏蔽寄存可编程中断控制器中的中断类型寄存器、屏蔽寄存器都是可编程的，当前中断服务寄存器也可以用软器都是可编程的，当前中断服务寄存器也可以用软件进行控制，中断优先级管理电路的优先级排列方件进行控制，中断优先级管理电路的优先级排列方式

27、也是通过指令来设置的，用起来灵活方便。式也是通过指令来设置的，用起来灵活方便。微型计算机技术微型计算机技术80868086的中断过程的中断过程接口部件发中断请求信号接口部件发中断请求信号IRQIRQ当前指令执行完后，当前指令执行完后，CPUCPU进行中断回答进行中断回答INTAINTA接口部件将中断类型号接口部件将中断类型号n n送到送到CPUCPUCPUCPU将将FLAGSFLAGS，CSCS，IPIP推入堆栈推入堆栈CPUCPU清除清除TFTF，IFIFCPUCPU将将n n乘乘4 4，到中断向量表中查找中断服务程序的入口地址，到中断向量表中查找中断服务程序的入口地址，并将该地址放入并将该

28、地址放入CSCS，IPIPCPUCPU进入中断服务子程序，进行保护现场的工作进入中断服务子程序，进行保护现场的工作开中断，允许更高一级中断打断当前的服务程序开中断，允许更高一级中断打断当前的服务程序执行服务操作及进行恢复现场执行服务操作及进行恢复现场执行执行IRETIRET指令指令CPUCPU将将IPIP、CSCS、FLAGSFLAGS出栈，恢复原来的程序执行出栈，恢复原来的程序执行微型计算机技术微型计算机技术 DMA DMA方式（方式（DMADMA控制控制I/OI/O方式）方式）lDMADMA：Direct Memory AccessDirect Memory Access直接存储器访问直接

29、存储器访问lDMADMA方式是一种由专门的硬件电路执行方式是一种由专门的硬件电路执行I/OI/O的数据传的数据传送方式，它可以让外设与外设之间、外设与内存之送方式，它可以让外设与外设之间、外设与内存之间直接进行高速的数据传送，而不必经过间直接进行高速的数据传送，而不必经过CPUCPU。这。这种专门的硬件电路称为种专门的硬件电路称为DMADMA控制器，简称控制器，简称DMACDMAC。微型计算机技术微型计算机技术原理示意图原理示意图外设接口存储器CPUINOUTMOV BX,ALMOV AL,BX输出输入读写请求与应答DMAC微型计算机技术微型计算机技术DMACDMAC的功能的功能接收外设向接收

30、外设向DMACDMAC发出的发出的DMADMA申请申请DREQDREQ向向CPUCPU提出提出DMADMA申请申请HOLDREQHOLDREQ接收接收CPUCPU回发的总线控制权响应信号回发的总线控制权响应信号HOLDAHOLDA，接管系统总线。，接管系统总线。内部具有地址寄存器，在内部具有地址寄存器，在DMADMA传输时将地址寄存器的内容送到传输时将地址寄存器的内容送到系统地址总线上，并在一次传送后变更地址。系统地址总线上，并在一次传送后变更地址。内部具有字节计数寄存器，控制内部具有字节计数寄存器，控制DMADMA传送的字符个数，每传送传送的字符个数，每传送一个字符后字节计数寄存器减一个字符

31、后字节计数寄存器减1 1，减到，减到0 0时发出传送完毕信号。时发出传送完毕信号。内部具有读写控制机构，在内部具有读写控制机构，在DMADMA传送时，向存储器发出传送时，向存储器发出MEMRMEMR、MEMWMEMW控制信号，向控制信号，向I/OI/O端口发出端口发出IORIOR、IOWIOW信号。信号。在在DMADMA一次传送完成后能撤消一次传送完成后能撤消HOLDREQHOLDREQ信号，使信号，使CPUCPU能重新掌握能重新掌握系统总线控制权，继续系统的工作。系统总线控制权，继续系统的工作。微型计算机技术微型计算机技术小结：三种传送方式比较小结：三种传送方式比较在查询方式下，通过程序来检

32、测接口中状态寄存器中的状态在查询方式下，通过程序来检测接口中状态寄存器中的状态位，以确定当前是否可以进行数据传输。位，以确定当前是否可以进行数据传输。速度较慢速度较慢。在中断方式下，当接口中已经有数据要往在中断方式下，当接口中已经有数据要往CPUCPU输入或准备好接输入或准备好接收数据时，接口会向收数据时，接口会向CPUCPU发一个中断请求，发一个中断请求，CPUCPU在接到中断请在接到中断请求后，如果响应中断，便通过运行中断服务程序来实现输入求后，如果响应中断，便通过运行中断服务程序来实现输入/输出。输出。较快较快。在在DMADMA方式下，外设要求传输数据时，接口会向方式下，外设要求传输数据时，接口会向DMADMA控制器发控制器发DMADMA请求信号，请求信号，DMADMA控制器转而往控制器转而往CPUCPU发送一个总线请求信号，发送一个总线请求信号，以请求得到总线控制权，如果得到以请求得到总线控制权，如果得到DMADMA允许，就可以在没有允许，就可以在没有CPUCPU参与的情况下实现参与的情况下实现DMADMA传输。传输。速度快速度快。