微型计算机和外设的数据传输

1、微型计算机和外设的数据传输 徐蕴颖 计科一班 201207010121摘要：微型计算机系统广泛应用于过程控制、信息处理、数据通信等方面，对于不同的需求，可选用不同型号的微型计算机，配置不同的外部设备，已扩展系统功能。外部设备不同使用场合不同，CPU与外部设备之间需要传输的信息也不同。微型计算机与外设的数据传输一般有三种方式：程序控制方式、中断方式、DMA方式，微处理机与外界的连接已变得越来越容易了。关键词： 接口 CPU 程序控制方式 中断方式 DMA方式什么是I/O接口？所谓接口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道，不同的外设有不同的输入/输出接口电路。

2、例如，键盘输入有键盘接口电路，CRT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。I/O接口是位于系统与外设间、用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路。微机的外部设备多种多样，工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差别很大，它们不能与CPU直接相连，必须经过中间电路在与系统相连，这部分电路被称为I/O接口电路，所以I/O接口就显得十分必要。要构成一个实际的微型计算机系统，除了微处理器以外，还需要各种接口。接口按功能分为两类：一类是使CPU正常工作所需要的辅助电路；另一类是I/O接口。CPU与外设之间所传送的信息类型对于输入设备来说，接口通常起信息转换和缓冲作用。输入

3、输出接口电路是为了解决计算机和外设之间的信息变换和缓冲问题而提出来的。接口技术专门研究CPU和外设之间的数据传送方式、接口电路的工作原理和使用方法。接口电路使处理器得到所需要的时钟信号或接收外部的多个中断请求等；利用接口电路，微处理器可以接收外部设备送来的信息或信息发送给外部设备。外部设备不同，使用场合不同，CPU与外部设备之间需要传输的信息也不同，CPU和输入/输出设备之间有以下几类信号：数据信息，又分为数字量、模拟量、开关量。状态信息，反映外设的工作状态；由外设通过接口送给CPU。控制信息，CPU通过接口送给外设；控制外设工作。I/O端口的编址方式CPU和外设进行数据传输时，各类信息在接口

4、中进入不同的寄存器，一般称这些寄存器称为I/O端口，每个端口分配一个端口。通常有：数据端口、状态端口、控制端口或命令端口。对I/O端口有两种编址方式：与存储器统一编址方式；I/O端口独立编址方式。统一编址方式把每一端口视为一个存储单元，将它们和存储单元联合在一起编排地址，这样可利用访内指令去访问I/O端口，而不需要专门的I/O指令，简化了指令系统，无需专门的I/O指令，但I/O端口地址占用了一部分存储器地址的空间。独立编制方式是指I/O设备的地址空间和存储器地址空间是独立的、分开的。采用独立I/O寻址方式的微处理器有Intel8086/8088、Zilog Z80等。由于各种微处理采用的I/O

5、编址方式不同，因此设计接口电路时，首先需要清楚CPU采用的是何种端口编址方法，只有正确寻址，才能完成正确的信息交换。一个接口的基本功能是在系统总线和I/O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。接口的功能为了协调CPU与外设之间的矛盾，实现CPU与外设之间高效、可靠的信息交换，I/O接口应具备以下功能：寻址功能输入/输出功能数据转换功能联络功能中断管理功能复位功能可编程功能错误检测功能。接口主要是为了解决计算机与外部设备之间的信息交换问题。随着大规模集成电路及计算机技术的发展，目前的接口电路中主要部件几乎都是功能强大的大规模集成电路，有些接口电路中还有自己的微处理器及内部总线

6、。CPU只需进行很少的控制操作，这些接口电路就可以根据CPU的要求完成对外设的控制与管理。这样就大大减轻了CPU的负担，提高了CPU的工作效率。接口技术的发展趋势是采用大规模、超大规模集成电路，向智能化和标准化方向发展。CPU与外设之间的数据传送方式微机与外设间的数据传送，实际上是CPU与I/O接口间的数据传送，熟悉和了解CPU与外设间数据传送方式是微机接口技术的重要内容。CPU与外设间的数据传送方式一般有三种：程序控制方式、中断方式、DMA方式。1. 程序控制方式，是指CPU与外设间的数据传送是在程序控制下完成的一种数据传送方式，这种方式又分为无条件传送方式和条件传送方式。无条件传送方式一般

7、适合于数据传送不太频繁的情况，这种方式是最简单的传送方式，程序编制与接口电路设计较为简单。但必须注意，当简单外设作为输入设备时，其输入数据的保持时间相对于CPU的处理时间要长得多，所以可直接使用三态缓冲器与系统数据总线相连。条件传送方式又称查询式传送，即CPU与外设之间采用应答方式进行数据交换。CPU 通过执行程序不断读取并测试外设的状态，当输入设备处于准备好状态或输出设备处于空闲状态时，CPU就能执行输入或输出指令与外设交换数据。为此，接口电路除了应有传送数据的端口外，还要有传送状态信息的端口。查询式传送方式的缺点是：花费CPU的时间作等待循环，大大降低了CPU的运行效率。当CPU采用查询方

8、式从外设读取数据时，CPU必须首先从状态端口查询外设的数据是否已经准备好，确认已准备好后，才能执行一次数据输入操作。当CPU采用查询方式向外设输出数据时，CPU必须首先从状态端口查询外设是否已经做好了接受CPU数据的准备，若没有准备好，则要继续查询，若准备好了，CPU便执行一次数据输出操作。当CPU与I/O设备之间采用查询式输入输出方式交换数据时，CPU必须顺序查询每一个外设，当某一个外设不需要服务时，CPU也得按顺序查询一次，外设总是处于被动状态，CPU无法快速响应外设要求及时服务的请求。CPU为了服务外设，其他程序会停止执行，所以，查询式I/O方式不可能是微型计算机外设工作的最佳选择，不适

9、用于实时监控系统。 2. 中断传送方式，为了进一步提高CPU的效率和使系统有实时性能，可采用此种方式，当外设准备好时，就主动向CPU发出中断请求，请求CPU进行数据的输入/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。在中断控制方式下，所有的I/O设备都可以工作在主动请求CPU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CPU根据各I/O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，实现中断处理的全过程。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，CPU能与所有的外设并行工作，能及时服务外设，并出理系统

10、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。中断传送方式在一定程度上提高了CPU的效率，但是，中断传送是CPU通过程序来控制的，每处理一次I/O交换，约需几十到几百微妙来保留现场和恢复现场。这对于一些高速的外设，或成组交换数据的情况，显然是不适宜的。中断方式是在外设准备就绪时向CPU申请中断，再进行传送，因而CPU无需花费时间作等待循环，弥补了查询方式的缺点。3. DMA方式，是一种由硬件执行的I/O交换方式。DMA控制器接管总线控制权后，不需要CPU干预，直接在外设和内存储器之间进行数据传送，从而大大加快了数据传送的速度。当外设数据准备好时，就向DMA控制器发出请求，DMA控制器接到请求后，即向CPU发出总线请求，申请占用总线，但要等到CPU给予响音，DMA控制器才能接管总线，然后由其提供存储器地址，并发出存储器读、I/O写或I/O读、存储器信号，控制存储器与I/O设备间的直接数据传送，传送结束，DMA控制器撤销对系统总线的控制权，CPU重新获得总线控制权。DMA 控制器的功能相当复杂，目前均为大规模可编程芯片，使用起来相当方便，但必须先初始化，编程设定工作方式。 外设准备就绪时，向DMA控制器发DMA请求，DMA控制器接到此信号后，向CPU发HOLD请求 CPU接到HOLD请求后，如果条件允许，则发出HOLD信号作为响应，同时，放弃对总