微处理器与接口技术：第7章 微型计算机和外设间的数据传输

第7章微型计算机和外设间的数据传输主要内容I/O接口的基本概念I/O端口的编址方式CPU与外设的数据传送方式I/O端口的地址译码及读写控制I/O接口的基本概念I/O设备与I/O接口I/O设备是微机系统不可缺少的部分输入设备输出设备输入输出设备I/O接口位于系统和外设之间，用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路接口的本质就是实现外设的信号线与CPU三大总线的转换和连接（接口均有两侧：总线、外设）例如:PC系统板上的可编程接口芯片、总线插槽的插接板（适配器）I/O接口的基本概念I/O设备与I/O接口接口技术把由处理器等组成的基本系统与外部设备连接起来，从而实现计算机与外设通信的一门技术构成计算机系统的关键技术软硬件的综合完成某一特定的接口任务I/O接口的基本概念I/O设备与I/O接口为什么需要I/O接口？外设多种多样工作原理、驱动方式、信息格式、工作速度等彼此差别很大I/O设备不能直接与计算机相连，必须通过I/O接口才能连接I/O接口的基本概念I/O接口的功能数据缓冲功能作为微机与外设间传送数据的缓冲站设备选择功能用来正确寻址与微机交换数据的外设提供联络信号提供计算机与外设交换数据所需的控制信号和状态信号信息格式的转换电平、并串、数模中断管理功能可编程功能I/O接口的基本概念I/O接口传送信息的类型数据信息数字量模拟量开关量状态信息反映外设当前所处的工作状态作为CPU与外设间可靠交换信息的条件输入设备：Ready输出设备：Busy控制信息用于控制外设的启动和停止给出用于设置接口工作方式的命令字I/O接口的基本概念I/O接口的基本结构I/O端口CPU和外设进行数据传送时，各类信息在接口中进入不同的寄存器每一个这样的寄存器被称为一个I/O端口每一个端口分配一个地址——端口地址I/O操作是指I/O端口操作接口中的端口通常分为:数据端口、状态端口、控制端口端口地址译码器输入/输出控制逻辑（读/写控制）I/O接口的基本概念I/O接口的基本结构I/O接口的编址方式I/O端口和存储器统一编址（存储器映射方式）编址方式：将I/O端口和存储单元统一看待，一起编址I/O空间是存储空间的一部分I/O端口地址也是一个存储单元地址，它们的区别是通过不同的地址编码实现的，而无须使用专门的I/O指令Motorola的MC68000系列采用的是这种编址方式I/O接口的编址方式I/O端口和存储器统一编址（存储器映射方式）优点：可使用丰富的访存指令访问I/O端口，操作方便、灵活读写控制逻辑简单I/O端口数目只受存储容量限制缺点：占用了存储器的一部分地址空间访存指令比专用的I/O指令执行时间长I/O程序部分不够清晰I/O接口的编址方式I/O端口和存储器独立编址（I/O映射方式）编址方式：将I/O端口和存储单元分开编址I/O空间和存储空间互相独立的使用专门的I/O指令对端口进行读写，I/O端口和存储单元的地址区分方法是通过设置专门的控制线来实现的Intel的80x860系列、Zilog系列采用这种编址方式80x86采用此方式时，可寻址的I/O空间最大为：216=64KB使用的地址线为A0—A15，I/O地址空间为0—FFFFHPC机中只使用A0—A9，I/O地址空间为0—3FFHI/O接口的编址方式I/O端口和存储器独立编址（I/O映射方式）优点：I/O端口地址不占用了存储器的地址空间I/O指令执行时间短使用专用的I/O指令，程序清晰缺点：I/O指令较少，程序设计不够方便、灵活读写控制逻辑复杂简单I/O数据传送方式控制方式目的是实现不同步的CPU和I/O设备两者之间正确有效的数据传送有4种：无条件传送方式查询传送方式中断传送方式DMA方式程序控制方式I/O数据传送方式无条件传送方式指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无条件传送主要用于外设总是处于准备好的状态，常用于简单外设例如：发光二极管（输出设备）、开关（输入设备）为保证数据可靠传送：外设必须随时准备就绪接口电路简单只需要数据信息的传送数据输入端口：数据输入缓冲器（三态）数据输出端口：输出锁存器I/O数据传送方式无条件传送方式软件编程直接使用输入/输出指令（IN、OUT）举例：书P190例7-1：硬件电路、软件编程思考：接口电路中的端口地址译码电路如何设计？接口电路的读、写控制电路如何设计？该例题中输入、输出端口能否使用同一个端口地址？I/O数据传送方式控制开关K0～K2打开则对应发光二极管Q0～Q2亮开关闭合则对应发光二极管不亮16I/O数据传送方式DON：INAL，IN_PORT ；读入B口开关状态 XORAL，0FFH ；求反 OUTOUT_PORT，AL;点亮对应发光二极管JMPDONHLT17I/O数据传送方式查询传送方式CPU要遵循“先查询，后传送”的原则，CPU需要先了解（查询）外设的工作状态，然后在外设可以交换信息的情况下（就绪）实现数据输入或输出对多个外设的情况，则CPU按一定顺序依次查询（轮询）。先查询的外设将优先进行数据交换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“就绪”，开始传送；如果状态是“没有就绪”，则继续查询，直到“就绪”，才开始传送

查询传送的特点：工作可靠，适用面宽，控制程序简单，但CPU工作效率降低I/O数据传送方式查询传送方式查询式输入接口电路数据输入端口状态输入端口端口地址译码电路、读/写控制电路举例：书P192图7-3-3软件编程流程图：书P191图7-3-2程序段：书P191I/O数据传送方式查询式输入：20I/O数据传送方式21输入输出传送方式查询输入的部分程序：

MOV DX，STATUS_PORT ；DX指向状态端口START： IN AL，DX ；读状态端口信息

TEST AL，80H ；测试状态标志位D7，

JZ START ；D7=0，外设未准备好，继续查询

MOV DX，DATA_PORT ；DX指向数据端口

INAL,DX ；从数据端口输入数据

RET22I/O数据传送方式查询传送方式查询式输出接口电路数据输出端口状态输入端口端口地址译码电路、读/写控制电路举例：书P192图7-3-5软件编程流程图：书P192图7-3-4程序段：书P193I/O数据传送方式查询式输出：24I/O数据传送方式25I/O数据传送方式26查询式输出的相应程序段为：

MOV DX，STATUS_PORT；DX指向状态端口START： IN AL，DX ；读状态端口信息

TEST AL，01H ；测试状态标志位D7，

JNZ START ；D7=0，继续查询

MOV DX，DATA_PORT ；DX指向数据端口

MOV AL，BUF ；取数据

OUT DX，AL ；向外设输出数据

RETI/O数据传送方式查询传送方式在编写查询式传送程序前，要先确定两个问题状态信号的位置：状态信号连接在数据线D0~D7中的第几位状态信号的有效电平：即是高电平表示准备好（忙），还是低电平表示外设准备好（忙）综合举例：书P193例7-4要求掌握硬件：CPU和简单接口之间三总线的连接软件：IN、OUT指令的使用（寻址方式）简单输入/输出程序编写、查询式程序编写例如图7-3-6所示，试编程实现将48000H为首地址的顺序100个单元的数据，利用查询方式输出到外设。2829程序如下：START:MOVAX,4000H MOVDS,AX MOVSI,8000H MOVCX,100GOON:MOVDX,00F1HWAIT: INAL,DX ANDAL,01H JZWAIT MOVAL,[SI]MOVDX,00F0H OUTDX,AL INCSI LOOPGOONRETI/O数据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。30I/O数据传送方式中断传送方式查询传送方式明显的缺点CPU利用率低不能满足实时输入输出的需要中断传送方式的工作过程CPU在某一时刻启动某一台外设，然后继续执行其主程序当外设处于就绪状态时，可向CPU发出“中断请求”信号CPU响应中断，暂停当前执行的主程序进入中断服务程序，与外设进行一次数据交换操作完成后再返回被中断的主程序，继续执行原来的主程序I/O数据传送方式中断传送方式中断方式的优点提高CPU的工作效率在外设未准备就绪时，CPU可以执行主程序，不用等待；CPU和外设可以并行工作通常CPU在执行每一条指令的末尾处会检查外设是否有中断请求，这种查询是由硬件完成的，不占用CPU的工作时间当连接多台外设时，可保证实时性的要求中断方式的缺点需要中断逻辑电路支持，硬件电路较复杂中断程序设计和调试较复杂

中断传送流程返回I/O数据传送方式DMA方式程序控制方式数据传送通过执行指令来完成的只能实现CPU寄存器与I/O端口的传送，当外设和存储器之间进行数据传送时，需借助CPU进行中转进行数据块传送时，地址指针的调整，计数器的修改都必须通过指令来实现采用中断方式时，在中断处理时要“保护现场”和“恢复现场”等，要占用一定时间，这样每传送一个字节大约要几十微秒到几百微秒，这对于高速外设就显得太慢了DMA方式：直接存储器存取方式可直接实现I/O设备与存储器的信息交换，且交换过程是在硬件（DMA控制器）控制下完成的，不受CPU软件控制I/O数据传送方式DMA方式DMA方式下，要求CPU让出这些总线，即要求CPU相应的引脚输出为高阻状态，系统总线由DMA控制器接管这些，产生相应的总线信号DMA传送的工作过程书P195图7-3-7I/O数据传送方式36返回I/O数据传送方式DMA方式DMA控制器的功能能接受外设的DMA请求信号DREQ，并能向外设发出DMA响应信号DACK；能向CPU发出总线请求信号（HOLD），当CPU发出总线响应信号（HLDA）后能接管对总线的控制权，进入DMA方式；能发出地址信息，对存储器寻址并修改地址指针；能向存储器和外设发出读/写控制信号；能决定传送的字节数，并能判断DMA传送是否结束；能发出DMA结束信号，释放总线，让CPU重新获得总线控制权I/O数据传送方式DMA方式——DMAC的操作方式（1）单字节方式在单字节操作方式下，DMA控制器操作每次只传送一个字节。即获得总线控制权后，每传送完一个字节的数据，便将总线控制权还给CPU，按这种工作方式，即使有一个数据块要传送，也只能传送完一个字节后，由DMA控制器重新向CPU申请总线。（2）字组方式字组操作方式也叫请求方式或查询方式。这种方式下一个DMA请求能够连续传送一批数据。在此期间，DMA控制器一直保持总线控制权。当DMA请求无效，数据传送结束，或检索到匹配字节，以及外加一个过程结束信号时，DMA控制器便释放总线控制权。（3）连续方式连续操作方式是指在数据块传送的整个过程中，不管DMA请求是否撤消，DMA控制器始终控制着总线。除非传送结束或检索到“匹配字节”，才把总线控制权交回CPU。在传送过程中，当DMA请求失效时，DMA控制器将等待它变为有效，却并不释放总线。39I/O端口的地址译码及读写控制端口的操作使用指令IN、OUT输入输出总线周期端口地址有效I/O读写信号有效IOR、IOWM/IO、RD、WRI/O端口的地址译码及读写控制I/O端口的地址译码端口的地址空间分配地址译码器件的选用利用门电路进行地址译码3-8译码器参与译码的信号地址线A0~A15（A0~A9）控制信号M/IOAEN