计算机和外设的数据传输.ppt

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1、计算机和外设的数据传输本章重点难点：1.接口的功能2.CPU和外设之间的数据传输方式中断方式和DMA方式本章需掌握的内容：1.外部设备为什么通过接口电路和主机总线相连？2.CPU和输入输出设备之间有几类信号？3.接口和端口的区别？4.接口的功能？5.CPU和外设之间的数据传输方式（程序方式、中断方式、DMA方式）的简单工作原理一、接口的基本概念u接口：CPU与外设之间的连接部件u分类：u使CPU正常工作的辅助电路u提供时钟信号：8253/8254u接收中断请求：8259Au输入/输出接口电路u完成CPU与外设之间的信息传送u例如键盘、显示器、磁盘及打印机等存储器存储器 ROM存储器存储器 RA

2、M微处微处理器理器CPU I/O接口接口 I/O设备设备ABDBCB一、接口的基本概念u存储器与总线直接相连的原因u品种(ROMRAM)和功能(保存信息)单一u存取速度基本与CPU的工作速度匹配一、接口的基本概念u外设通过接口与总线相连的必要性：u种类繁多：输入设备/输出设备/输入输出设备u传输信息多种多样：数字量/模拟量u信息传输方式不同：串行数据/并行数据uCPU与外设的速度不匹配问题：u利用接口提供缓冲与联络u多个外设共享总线：u同一时刻，只有一个外设与CPU传送信息一、接口的基本概念u接口的基本组成：若干端口+控制逻辑端口控制逻辑数据口控制口状态口二、CPU与I/O设备之间的接口信息u

3、数据信息u数字量：二进制数据和ASCII码字符u模拟量：温度、压力和流量等，需要经过A/D转换输入计算机u开关量：2态信息，只需用1位2进制数表示u状态信息（外设CPU）uReady：提示输入设备是否准备好数据uBusy：提示输出设备是否空闲，已经准备好接收数据u控制信息（CPU外设）u控制输入输出设备的操作：如外设的启动/停止信号三、端口的基本概念u端口：接口电路中的一个/一组可通过输入输出指令进行读/写操作的寄存器uCPU通过接口中不同端口传送不同信息u每个端口在I/O地址空间中都有唯一的地址u端口分类：u数据端口：暂存来自/送往CPU的数据u状态端口：存放外设/接口部件本身的状态信息u控

4、制端口：存CPU发出的控制接口/外设的命令三、端口的基本概念u端口组成（以双向工作接口芯片为例）：u数据输入口u数据输出口u状态端口u控制端口u其中：数据输入口 状态口 数据输出口 控制口“只写”口“只读”口三、端口的基本概念u端口组成（以双向工作接口芯片为例）：u系统为了节省地址空间，一般：u分配给数据输入口和数据输出口一个地址u分配给状态端口和控制端口一个地址u当对一个端口进行读/写操作时，实际是对不同的端口寄存器进行操作四、简单I/O接口框图数据口状态口控制口译码电路外 部 设 备CPUDBABCB状态信号控制信号数据信号u若实现接口电路功能，还需有一些控制逻辑u地址译码电路u中断控制逻

5、辑u差错检测逻辑五、I/O接口编址方式u与存储器统一编址uI/O接口中的端口寄存器与内存单元统一编址，共享同1个地址空间。u优点：操作方式灵活，不用专门的I/O指令u缺点：需占用部分内存的地址空间。uI/O 端口单独编址u有独立的I/O地址空间，使用专用I/O指令访问该区域uI/O 与内存分时共享1组地址总线。u优点：不占用内存的地址空间；u缺点：需使用专门的I/O指令，寻址方式简单，编程灵活性稍差。uIntel系列微处理器使用后一种I/O端口编址方式六、接口的功能u寻址功能u识别M/IO#，片选信号和端口地址u输入/输出功能u识别W/R#u输入：将数据/状态信息送上数据总线u输出：从数据总线

6、接收CPU的数据/控制信息u数据转换功能u将CPU送出的并行数据转换成外设的数据格式u将外设输入的信息转换成CPU的并行数据六、接口的功能u联络功能u发就绪信号，通知CPU数据传输已完成u中断管理功能（中断控制器的接口）u能发送中断请求和接收中断响应信号u能向CPU发送中断类型号u优先级管理u复位功能u能接收复位信号u使接口及所连设备重新启动六、接口的功能u可编程功能u设置工作方式u设置控制信号u错误检测功能u检测传输错误u利用奇/偶校验位检测数据传输错误u利用程序检测状态寄存器的内容u检测覆盖错误u输入：CPU还没取走数据，该数据被另一数据覆盖u输出：外设还没取走输出缓冲器的数据，CPU又送

7、出一数据将其覆盖七、接口与系统的连接七、接口与系统的连接u与外部设备相连：因设备不同差别很大u与总线相连：各设备连接类似u总线收发器和逻辑电路u例如：能接收CPU的W/R#信号，确定数据传输方向u地址译码器u将M/IO#和地址总线信号转换为对接口的片选信号u端口寄存器u用W/R#和12位低位地址线对端口寄存器寻址七、接口与系统连接应用举例u用读信号、写信号和地址A0区分4个寄存器八、CPU与外设数据传送方式u程序方式u无条件传送u查询式传送u中断传送方式u存储器直接存取(DMA)方式无条件传送u功能：CPU与外设直接进行数据传送u条件：外设处于就绪状态u例：开关；七段显示管uCPU执行输入指令

8、时uM/IO#和RD#低，选通输入缓冲器，将其中的数据通过数据总线送CPUuCPU执行输出指令时uM/IO#和WR#低，选通接口的输出锁存器，CPU将数据通过数据总线送输出锁存器查询式传输（条件传送）u功能：CPU通过执行程序不断读取并测试外设状态u如外设处于准备好状态（输入设备）u或外设处于空闲状态（输出设备）u则CPU通过输入/输出指令与外设传送数据u查询式传输过程的三个环节uCPU从接口中读取状态字uCPU检测状态字对应位，判断外设是否“就绪”。若未“就绪”，回到u如状态字表明外设已“就绪”，则传送数据查询式输入u输入设备在数据准备好后向接口发选通信号u作用1：将外设的数据送接口锁存器u

9、作用2：使接口D触发器置1，从而使三态缓冲器READY位置1uCPU取状态字，检查数据是否已经进入接口锁存器u若数据准备就绪，执行输入指令读数据u将状态位清0，以便开始下一个数据的传输过程查询式输入uCPU先输入状态信息“Ready”u状态信息用1位二进制数表示，不同外设的状态信息可共享1个端口D7LOP:IN AL,STATUS_PORT TEST AL,80H JE LOP ;未准备好 IN AL,DATA_PORT ;准备好,输入数据NYREADY输入状态信息输入数据查询式输出uCPU执行输出指令时，由M/IO#和WR#产生选通信号u作用1：将数据总线上的数据送接口的数据锁存器u作用2：

10、使接口D触发器置1uD触发器输出的信号为外设提供联络信号，通知数据已到接口uD触发器使状态寄存器的BUSY位置1，阻止CPU输出新数据u输出设备取走数据后，发应答信号ACK#将D触发器清0，使状态寄存器的BUSY位置0，以便开始下一输出过程查询式输出uCPU需先检测外设发出的状态信息BUSY=0D7LOP:IN AL,STATUS_PORT TEST AL,80H JNE LOP ;外设正忙 MOV AL,STORE ;可以输出数据 OUT DATA_PORT,AL;从数据口输出YNBUSY输入状态信息输出数据查询式传输应用举例u从键盘向内存缓冲区输入1行字符，输入回车符(0DH)或字符行超过

11、80个字符时结束输入，并自动加1个换行符(0AH)。u若在输入的81个字符中未见回车符，则显示输出信息“BUFFER OVERFLOW”。u对键盘输入的ASCII码进行偶校验，若出错，显示出错信息；无错，先清校验位D7，再将其送内存缓冲区u数据输入口：52H；数据输出口：54H；状态口：56Hu设状态寄存器D1=1时，输入缓冲器已有一字节准备好u设状态寄存器D0=1时，输出缓冲器“空闲”DAT SEGMENTMESSAGE DB BUFFER OVERFLOW,0DH,0AHDAT ENDSCOM SEGMENTBUFFER DB 82 DUP(?)；接收缓冲区COUNT DW?；计数器COM

12、 ENDSCODE SEGMENT ASSUME DS:DAT,ES:COM,CS:CODESTART:MOV AX,DAT MOV DS,AX MOV AX,COM MOV ES,AX ；装入DS，ES MOV DI,OFFSET BUFFER ；目的串指针 MOV COUNT,DI ；保存目的串指针 MOV CX,81 ；字符行长度 CLD ；清方向标志NEXT_IN：IN AL,56H ；读状态字 TEST AL,02H ；测试输入字符 JZ NEXT_IN ；未准备好,再测 IN AL,52H ；输入字符 OR AL,0 ；校验，置PF JPE NO_ERROR ；偶数个1，转移 JM

13、P ERROR ；校验出错NO_ERROR:AND AL,7FH ；清除校验位 STOSB ；AL存入(ES:DI)CMP AL,0DH ；是否输入回车符 LOOPNE NEXT_IN ；不是，再输入 JNE OVERFLOW ；字符行超长，转移 MOV AL,0AH STOSB ；换行符存入缓冲区 SUB DI,COUNT ；计算输入的字符数 MOV COUNT,DIOVERFLOW:MOV SI,OFFSET MESSAGE ；SI指向字符串 MOV CX,17 ；MESSAGE的长度NEXT_OUT:IN AL,56H ；读状态字 TEST AL,01H ；测试输出缓冲器空闲 JZ NE

14、XT_OUT ；忙，再测试 LODSB ；(DS:SI)取入AL OUT 54H,AL ；字符送数据输出端口 LOOP NEXT_OUT ；输出下1个字符 中断传送方式u是一种使CPU中止正在执行的程序（例行程序），转去处理特殊事件（中断服务程序）的操作。例行程序第n+1条指令第n条指令断点中断服务程序中断方式输入接口的工作原理中断方式输入接口的工作原理u输入设备准备好1个数据，发选通信号u数据送输入锁存器；中断请求触发器置1u若中断屏蔽触发器未屏蔽，Q#=1，发INT#u若IF=1，CPU在执行完当前指令后从INTA#向接口发中断响应信号u接口收到INTA#后，将中断类型号送数据总线uCPU

15、根据中断向量确定中断处理程序入口地址uCPU执行中断处理程序可屏蔽中断的响应和执行中断优先级问题的解决中断优先级u作用：解决系统中同时有多个设备以中断方式与CPU传输数据的问题u接口部件：可编程的中断控制器u中断排优及响应过程uCPU通过INTR和INTA#引线与中断控制器相连u输入输出接口的中断请求信号并行送至中断优先级管理电路u中断优先级管理电路为各级中断请求信号分配优先级中断优先级u确定优先级最高的中断请求后，将中断类型寄存器低3位（对应中断请求序号）送中断服务寄存器u中断控制器向CPU发中断请求，若IF=1，CPU发中断响应信号INTA#u中断控制器将中断类型号送CPUu说明：u上述过

16、程中，优先级较低的中断请求受到阻塞u中断处理完成，中断服务寄存器对应位清0后，优先级较低的中断请求才有可能得到响应CPU内存内存外设外设数据通道数据通道数据通道数据通道非非DMA方式方式(包括程序控制方式和中断方式包括程序控制方式和中断方式)DMA方式方式DMAC内存内存外设外设数据通道数据通道DMA方式u存储器直接存取(Direct Memory Access，DMA)方式uDMA接管总线，直接在内存和外设之间传送数据DMA控制器的功能u接到外设DMA请求时向CPU发总线请求信号HOLDuCPU发总线请求响应信号HLDA，DMA接管总线uDMA将地址送地址总线，设置存储器地址指针u在DMA传

17、送期间能发读/写控制信号u能设置需传送的字节数，传送期间自减，至0结束u传送结束，向CPU发DMA结束信号，将总线控制权交还给CPUDMA传输(输出)单个数据的过程DMA传输(输出)单个数据的过程u接口准备就绪，发一个DMA请求uDMA控制器向CPU发总线请求信号HOLDuCPU发总线请求响应信号HLDA，DMA接管总线uDMA控制器将地址送地址总线uDMA请求得到确认u内存通过数据总线将数据送接口数据锁存器uDMA发结束信号结束总线请求u CPU收回总线控制权DMA控制器的基本配置u组成：控制寄存器、状态寄存器、地址寄存器和字节计数器从接口向内存传输一个数据块u接口准备就绪，发一个DMA请求

18、uDMA发总线请求，CPU响应，DMA接管总线uDMA控制器将地址寄存器内容送地址总线uDMA控制器向接口发确认DMA传输信号u数据送到地址总线所指出的内存单元u地址寄存器的值加1u字节计数器的值减1u如字节计数器的值不为0，回到;否则结束 DMA控制器的工作特点u一方面是一个接口电路 u另一方面是总线主设备 查询、中断和DMA方式的特点 u查询方式的特点uCPU通过执行程序不断读取和测试外设状态u缺点：uCPU使用效率低u实时性差：多外设系统中，轮流查询每个外设u中断方式的特点u是一种使CPU中止正在执行的程序，转去处理随机性事件的操作u优点：CPU和外设并行工作，大大提高CPU效率 u缺点：CPU传数据；保存和恢复断点、标志和现场；进入中断处理程序和弹出断点时都要清除指令对列花费时间uDMA方式的特点uDMA控制器拥有总线控制权，数据在内存外设间直接传输