CPU输入输出接口技术.ppt

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1、第第8讲讲微型计算机和外设间的数微型计算机和外设间的数据传输据传输 苏 放北京邮电大学 信息与通信工程学院1接口技术的基本概念2接口技术的基本概念为什么要用接口电路解决计算机的高速和外设的低速的矛盾一般来说，外部设备的工作速度比CPU的速度低许多。如果没有接口，CPU必须长期的等待，才可以和外设配合工作。就会大大降低CPU的工作效率。解决计算机信号和外设信号的差别。如模拟和数字的差别、信号电平高低的差别、信号传送方式的差别（并行和串行）等。3接口技术微机系统由连接在系统总线上的CPU,存储器,外设,接口电路,电源组成。接口是指CPU和存储器、外部设备之间通过系统总线进行连接的逻辑部件。它是CP

2、U和外界进行信息交换的中转站。要使这些设备正常工作，一是要设计正确的接口电路，二是要编制相应的软件。接口技术是采用硬件和软件方法研究微处理器如何与外界进行最佳偶合，实现CPU与外界高效可靠进行信息交换的技术。4接口技术的基本概念接口电路的功能数据的寄存和缓存：解决外设与主机的速度差距设备选择功能：多种设备的选择信号转换功能：外设与主机的信号差异对外设的控制监视功能：操作同步中断和DMA功能：解决实时性和并行性问题可编程功能：灵活性和可扩充性5接口技术的基本概念计算机和存储器之间也是要交换信息的，但计算机和存储器之间并没有专门的接口电路原因就在于计算机和存储器的工作速度基本上是匹配的，信号的形式

3、也是一致的。如果存储器的速度较慢，可以通过增加等待周期来解决。而外设和计算机的工作速度相差太大，不可能通过增加等待周期的方式来解决两者速度的不一致。使用接口电路则是必然的。6 CPU与I/O之间的接口信号 接口电路中的信息数据信息数据信息数据信息可以有各种形式：数字量。大多数信息是数字信息，即二进 制信息或者代表字符的ASCII码开关量。开关量实际是数字信息，但一般只占用一位二进制信息，以表示开关的打开或闭合。模拟量。通过接口的模拟量，要变换为数字量，再加到计算机。7 CPU与I/O之间的接口信号 状态信息状态信息主要是反映外设的工作状态对于输入设备，可以表示它是否准备好数据，只有数据已准备好

4、，才启动CPU一次读入操作。对于输出设备，可以反映它是否已经把上一个数据处理完，只有上一个数据处理完，才可以启动CPU的下一次输出操作。状态信息也可以是CPU传送给外部设备的，传送CPU的状态。状态信息也称为握手信息。8 CPU与I/O之间的接口信号 控制信息控制信息控制信息一般是CPU通过接口电路传送给外部设备的，一般控制外部设备的动作。如启动打印机开始打印，启动A/D转换器，开始模拟到数字信号的转换等。这三种信息，将都通过数据总线在CPU和接口之间传送。从形式上看，三种信息并没有差别，都是二进制信息。如10000000，既可以是数据信息，代表十进制数128，也可以是一种状态信息，或一种控制

5、信息。9端口接口和端口接口和端口为了区分以上所述的三种信息，在接口部件中都包含一组寄存器，分别对应不同的外设地址，CPU和外设交换信息时，将三种不同的信息，送入不同的寄存器：数据送入数据寄存器，状态信息就送入状态寄存器，等等。这些寄存器就称为端口（PORT）。不同的端口有不同的地址，不同的端口存放不同的信息。10端口及其寻址方式 I/O端口的编址方式存储器映射方式，即存储器映射方式，即I/OI/O端口和存储器统一端口和存储器统一编址编址：即存储器和外设共同分享CPU的寻址空间。一般，存储器占用较多的寻址空间，而外设（I/O接口）占用较少的寻址空间。在这种情况下，CPU可以用对存储器的操作指令来

6、对外设进行操作，两者对CPU来说，实际上是相同的。即不需要专用的对外设操作的指令。外设和存储器的区别就在于地址。11端口及其寻址方式I/OI/O映射方式，即映射方式，即I/OI/O端口单独编址端口单独编址这时，存储器和I/O接口，各自都有自己的地址范围，而且这些地址在数值上可以是重叠的。也就是不能用地址来区别存储器和外设。此时，必须有专门的I/O操作指令。更实质地说，是需要有用于存储器寻址和外设寻址的不同控制信号。对8086来说，就是这种情况。用来区别存储器和I/O端口的信号的M/IO：对存储器操作时，此信号为1；对外设操作时，此信号为0。12端口及其寻址方式如果8086工作在最大方式，对外设

7、寻址的控制信号则是IORC和IOWC。I/O端口单独编址，使存储器可以使用的地址空间就是CPU的全部寻址范围。对8086，就是1M。I/O端口单独编址时，可以使用的外设数目由直接参与的地址线的数目来决定。对8086 来说，就是16条地址线，因此，最多可以对65536个外设（或I/O端口）来交换信息。13接口技术的基本概念8086的输入输出指令：输入：IN AL,nIN AX,nIN AL,DXIN AX,DX输出：OUT n,ALOUT n,AXOUT DX,ALOUT DX,AX注：n为8位无符号数，表示只有8条地址线和外设相连，最多寻址256个I/O端口。用DX表示地址时，最多有16条地址

8、和外设相连，最多寻址65536个端口。14CPU和外设之间的数据传送方式 无条件传送方式无条件是指CPU不管外设的状态，在需要和外设交换信息的时候，就用输入或输出指令和外设交换信息。在这种方式下，CPU和外设之间只有数据信息的传送，没有状态信息的传送。但无条件传送，不等于不需要接口电路，只是接口电路可以比较简单，因为只有数据的通道，一般就只有输出锁存器和输入缓冲器。15无条件传送方式 控制开关控制开关K0K2打打开则对应发光二极开则对应发光二极管管Q0Q2亮亮开关闭合则对应发开关闭合则对应发光二极管不亮光二极管不亮 16DON：IN AL，IN_PORT；读入B口开关状态 XOR AL，0FF

9、H ；求反OUT OUT_PORT，AL；点亮对应发光二极管 JMP DONHLT 17输入输出传送方式一位七段显示器接口电路：18输入/输出接口综合应用例子根据开关状态在7段数码管上显示数字或符号共阳极7段数码管结构 用74LS273作为输出接口，把数据送到7段数码管74LS273的地址假设为F0H用74LS244作为输入口，读入开关K0K3的状态74LS244的地址假设为F1H当开关的状态分别为00001111时，在7段数码管上对应显示0F 19 符号形状7段码.gfedcba符号形状7段码.gfedcba000111111801111111100000110901100111201011

10、011A01110111301001111B01111100401100110C00111001501101101D01011110601111101E01111001700000111F0111000120O1 I1O2 I2O3 I3O4 I4#E1 K0K3+5VGG2AG2BCBA1174LS244D0 Q0|Q1D7 Q2 Q3 Q4CP Q5 Q6 Q7 abcdefgDP74068个个反相器反相器74LS273Rx81174LS138D0D7IOW#IOR#Y0Y1F0H=0000 0000 1111 0000F1H=0000 0000 1111 0001&1A7A4A15A8A

11、3A2A1A0D0D1D2D3译码电路译码电路21相应程序段如下相应程序段如下：Seg7DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07HDB7FH,67H,77H,7CH,39H,5EH,79H,71HLEABX,Seg7；取；取7段码表基地址段码表基地址MOVAH,0GO:MOVDX,0F1H；开关接口的地址为；开关接口的地址为F1HINAL,DX；读入开关状态；读入开关状态ANDAL,0FH；保留低；保留低4位位MOVSI,AX；作为；作为7段码表的表内位移量段码表的表内位移量MOVAL,BX+SI；取；取7段码段码MOVDX,0F0H；7段数码管接口的地址为段数码管接口

12、的地址为F0HOUTDX,ALJMPGO22输入输出传送方式无条件传送的输入方式：CPU输出地址后，经过地址译码器选通输入缓冲器。ALE为0，表示非DMA 操作。23输入输出传送方式无条件传送的输出方式：CPU输出地址后，经过地址译码器选通输出锁存器。ALE为0，表示非DMA 操作。24输入输出传送方式由译码器提供至少一个I/O地址来对端口寻址。输入口和输出口在这里使用了同一个译码地址。因为除了一个地址信号以外，还有读、写信号可以参加控制。如当地址有效，读信号有效时，可以选中输入缓冲器；而当地址有效，写信号有效时，则选中输出锁存器。也可以分别给输出口和输入口各有一个地址。25输入输出传送方式无

13、条件传送使用的场合：或者是外设的工作速度很快，使得CPU两次读写操作之间的时间，外设肯定可以处理完上次的数据。因此就不需要考虑外设的状态。就象CPU和存储器交换信息。或者是外设的速度虽然并不很快，但CPU两次读写外设的操作，一定有较长时间的间隔。而这个时间间隔对于处理上一个数据，时间肯定是足够的。26输入输出传送方式例：三路任意波形的输出用数据线D2 D1 D0输出三路信号。波形的形状由数据段来定义。数据段：DATA SEGMENTTAB DB08,1,2,6,3,2,4,4,0PORT EQU 8CHDATA ENDS其中08表示波形有8个状态。27STR:LEABX,TABMOV CH,0

14、MOV CL,BX;CL=8LOP:INCBXMOV AL,BX;取波形形状OUTPORT,AL;输出PUSH CXCALL DELAY;延迟POPCXLOOP LOPDELAYPROCMOV CX,2801WAT:LOOP WATRETDELAYENDP28输入输出传送方式以上程序可以使用无条件传送是因为在两次传送之间有一个10ms的延迟。10ms的延迟既是波形间隔的需要，也保证了输出的稳定性。实际上，延迟也是一种等待。这种方式的无条件传送，也是通过等待来解决CPU和外设的速度匹配。但延迟的长短是估计的，要精确地匹配CPU和外设的工作，可以使用查询方式。29输入输出传送方式查询式传送（条件传

15、送方式）这种方式，CPU要遵循“先查询，后传送”的原则，保证只有在外设已经是在“准备好”状态，才开始传送数据。查询式传送的一般流程：先从状态口读入状态字；如果状态是“准备好”，开始传送；如果状态是“没有准备好”，则继续查询，直到“准备好”，开始传送。30输入输出传送方式查询式输入：readyready31输入输出传送方式32输入输出传送方式图中的“选通信号”就是输入设备发出的状态信号。选通脉冲有效时，触发器输出1。表示输入设备已经将数据准备好。CPU查询READY信号，有效时，发出输入指令，从数据口读入输入数据。图中的数据口读选通信号一方面选中数据缓冲器，同时也是CPU的状态信号，它可以清除触

16、发器的输出，使之为0，以便接收下一次的输入数据。33输入输出传送方式查询输入的部分程序：POLL:MOV DX,STATUS_PORTINAL,DXTESTAL,80HJEPOLLMOV DX,DATA_PORTINAL,DX34输入输出传送方式查询式输出：35输入输出传送方式查询式输出接口电路查询式输出接口电路36输入输出传送方式例：8路模拟信号采集系统系统有三个端口：331H是状态口，接到A/D转换器的EOC端，当EOC信号有效时（1），表示A/D转换完成，CPU可以读入转换后的数字信号。332H是数据口，接收A/D转换后的数字信号。330H是控制口，一方面向A/D转换器发出启动A/D转换

17、的命令，同时也向多路开关发出选择8路模拟信号的地址信息，一般逐一地选择8路模拟信号。37输入输出传送方式查询式数据采集系统38输入输出传送方式具体安排：状态口地址为331H，状态位使用D0，高电平有效。数据口地址为332H。控制口地址为330H。控制命令用D4，高电平开始A/D转换，低电平停止转换。D2 D1 D0用于多路开关的地址，000111对应8路模拟信号。39输入输出传送方式为了便于编程，端口4的D7 D6 D5和D3 都安排等于1，其结果是：当输出值0F8H（11111000）启动第一路模拟转换。当输出值0F9H（11111001）启动第二路模拟转换。当输出值0FFH（1111111

18、1）启动第八路模拟转换。当输出值00H（00000000）全部转换结束。40START:MOV CL,0F8H;LEA DI,BUFFER;AGAIN:MOV AL,CLANDAL,0EFH;停止A/D转换MOV DX,330HOUTDX,ALCALL DELAYMOV AL,CL;开始下一路的转换OUTDX,ALINCDXPOLL:INAL,DX;查询状态SHRAL,1;取出状态位JNCPOLL;没有准备好继续查询INCDXINAL,DX;准备好则读入数据STOSB;存数据INCCL;下一路模拟信号JNEAGAIN;没有完成则循环41输入输出传送方式查询式传送程序：在编写查询式传送程序时，要

19、注意两个问题，或者说，要先确定两个问题：1.状态信号的位置：状态信号一般也是开关信息，因此需要规定状态信号是在8位数据中的第几位。2.还要规定，状态信号的有效电平：即是高电位表示准备好，还是低电平表示外设准备好。以上程序中状态位是D0，高电平有效。42输入输出传送方式查询方式的优点：CPU和外设之间可以很好地配合工作。缺点：CPU要长期地查询外设的状态，查询实际上就是一种等待。CPU长期的等待会影响CPU的工作效率。43输入输出传送方式：中断中断方式：中断方式是由外设向CPU发出要求交换数据的请求，即中断请求。CPU收到中断请求后，中断当前的工作，为外设服务。服务结束（输入或输出）后，继续原来

20、的工作。中断方式不要求CPU等待或查询，可以大大地提高CPU工作效率。但接口电路比较复杂。44输入输出传送方式：中断45输入输出传送方式：中断输入装置准备号数据，发出选通信号，将数据存入输入锁存器；输入选通经过触发器，请求中断；CPU发出INTA作为应答。中断控制器发出中断矢量到CPU；CPU查中断地址表，得到中断入口地址；执行中断服务程序，输入数据到CPU；清除中断请求，返回到被中断的程序。46输入输出传送方式：DMADMA方式DMA方式，是由DMA控制器来控制数据从外设到存储器的直接传送。CPU不参与DMA传送的控制。中断方式仍然是指令控制下的传送，为了进一步提高传送速度，希望传送直接是在

21、硬件控制下完成。DMA方式是速度最快的外设和存储器交换信息的方式。47输入输出传送方式：DMADMA传送是外设和存储器传送数据的各种方式中速度最快的一种。DMA传送是在脱离CPU控制的情况下进行的。传送过程不执行任何指令。DMA传送必须有DMA控制器的支持，由DMA控制器产生产生传送的控制信号。48输入输出传送方式：DMADMA控制器控制数据传送需要有什么功能？需要DMA控制器能产生数据传送所需的地址和各种控制信号：、等。49输入输出传送方式：DMADMA控制器控制为什么能加速数据传送？因为不需要执行数据传送指令，特别是那些可以不需要的指令。50输入输出传送方式：DMADMA控制器：产生传送所

22、需要的地址和控制信号。页面地址寄存器：存放高位地址。对8086系统需要存放4位地址，以便和DMA控制器所产生的16位地址构成20位物理地址。若是80286系统，就要存储8位高位地址了。锁存器：存放DMA控制器给存储器的高8位地址。51页面寄存器8237IORMEMRMEMWDREQ1DACK0DREQ0DACK1IOWA0A7 RDWR RDWRDB0DB7A16A19 A8A15 A0A7 CPUA16A19锁存器 AD0AD7 A0A3 RDWR HRQ HLDA HOLD HLDARAM外设外设 D0D752输入输出传送方式：DMA53输入输出传送方式：DMADMAC向CPU发出DMA请求信号HRQ；CPU应答HLDA，DMAC接管总线；向存储器发出地址；向存储器和外设发出读、写信号，完成一次读写；改变存储器地址，继续读写，直到结束；向CPU发出DMA结束信号，恢复CPU对总线的控制。54Thanks!55