IT计算机课件第4章微型计算机和外设间的数据传输

第4章微型计算机和外设间的数据传输

教学目的和教学要求

通过本章的学习，使学生掌握接口电路的

基本概念、接口电路的主要功能、两种I/O端

口的编址方式、I/O编址的译码、微处理器与

I/0设备数据传送的查询式输入输出方式以及

中断方式输入输出。

熟悉直接存储器存取(DMA)方式以及I/O

处理器控制方式。

本章重点、难点

■I/O端口的编址方式

■CPU与I/O设备数据传送的查询式输入输

出方式以及中断方式输入输出

■微处理器与I/O设备数据传送的几种方式

4.1接口及接口技术

4.1.1接口电路的概述1鲁存储器不需要

所谓接口就是CPU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路，不同的

外设有不同的输入/输出接口电路。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。

微型计算机系统的各类接口如图所示。

图4・1微型计算机各种接口框图

内存梭口内存电燎

X累扰总线＜AB..DB、CB)

工JLg1

过程控制智能仪

输入接口输出梭口通信接口外存接口

接口接口

n

键盘、光甯显示翳烬端磁盘机A/D转揍各种数字化

数字化仪打印机调制解懈磁带机山A茕换仪翳

绘图仪开关量输入

融般TTY电传机光存储

X-Y记都开关量输出

做理计更机各种梭口框图

付处理器为什么要通过输入/输出接口与外

相连接呢？能否将外设的有关信号直接与

CPU的数据总线、地址总线以及控制总线相

连接呢？

第一，I/O设备的种类繁多，CPU与外设

两者之间的信号线不兼容，外设的数据线可

能与CPU数据线兼容，而外设的其它许多信

号线在功能定义、逻辑定义以及工作时序上

不可能与CPU相关总线完全一致。

第二，外设的工作速度比往往CPU的工作

里度慢得多，二者工作速度严重不匹配;

第三，如果外设直接由CPU控制，会使外

设的硬件结构完全依赖于CPU,不利于外

围设备的统一设计与发展。

十四，一个微处理器往往要带许多个外围

心各E当便各外设与CPU处于并行工作

状态，一旦某一外设要求微处理器对其进

行服务，就可以通过所设置的中断方式接

口，CPU暂时停止当前程序的执行，转去为

申请服务的外设执行一个服务程序，从而

可以实现CPU与所有外设处于并行工作状态,

因而可以大大提高CPU的工作效率。

有些外围设备，特别是微机所监测的

本身是模拟信号，并非数字信号，因

此，要经过模/数转换接口电路，将模拟信号

变换成数字信号后才能输入到计算机中，反

之，对生产过程的控制，往往还需要数/模转

换接口电路，将数字信号变换成模拟信号后

才能控制生产过程。

为什么需要I/O接口（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。

所以，外部设备不能与CPU直接相连，外部

设备必须经过中间电路再与CPU相连。

■这部分中间电路被称为I/O接口电路。

什么是I/O接口（电路）？

妾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。

I/O

设备

接口

CPU

电路

I/O接口的典型结构

I/O接口电路

数据

外设

状态

控制

什么是微机接口技术？

彳4接口不是一些逻辑电路的简单组合。

微机接口技术是采用计算机硬件与软件相结合

的方法，使CPU与外围设备之间进行最佳耦合与

匹配，以便在CPU与外围设备之间实现可靠、

有效交换信息的一门技术。

微机接口技术涉及知识面很宽，包括微处理器、

汇编语言（或高级语言）程序设计、通信原理

与有关协议、电子技术、监测与控制等多学科

的基础理论与专业知识。

4.L2接口电路的主要功能

备选择功能

在微机系统中，往往有多个外设，每个外设中

可能有多个可以访问的寄存器。而微处理

器在某一瞬间，只能与一台外设或者对一

台外设中某一个寄存器进行读/写访问。

一个寄存器对应一个地址编号，当CPU访问外

设时，实质上是访问某一寄存器。

L设备选择功能

接口电路p,首先要设置I/O端口地址

译码电路,把CPU发出的地址信号翻译成

I/O设备的选择信号，被称之为“片选”

信号。一般把CPU发出的低位地址用作接

口芯片内部的寄存器选择，高位地址用于

接口芯片选择，以选定CPU所要进行信息

交换的外围设备，只有被选中的设备才能

被CPU进行读（输入）或写（输出）操作。

I2.数据缓冲功能

¥卜微处理器低速外设之间的矛盾,避免因速

度不一致而丢失数据甚至无法正常工作，接口

电路中一般还设有数据缓冲寄存器，实际上是

用于存放I/O数据的寄存器，简称数据缓存器

（或数据缓存）O

2.数据缓冲功能

凝存器分为输入缓存器和输出缓存器,前者

用于暂存外设传送来的数据，等待CPU取走，后

者用于暂存CPU传送给外设的数据，等待外设取

走。

例如：手动键盘和打印机的响应速度都是几十毫

秒，远低于CPU的工作速度，因此，在这类外

设与CPU之间，必须要设置数据缓冲寄存器。

I3,接收和执行CPU命令的功能

对外围设备的控制命令一般是以二进制代

码的形式首先送到接口电路的命令寄存器（称

为命令口）中存放，再由此接口电路对此二进

制代码进行分析识别，产生若干控制信号，最

后送往外围设备，产生相应的操作，当然，对

于简单控制电路而言，命令寄存器中的二进制

信息可直接用于对I/O设备的控制。

4.寄存外设状态的功能

CPU对外设进行访问之前，一般要了解外设

当前所处的状态。

例如：打印机的“忙”信息，当打印机正在

打印时，处于“忙”状态，CPU暂时不传送

新数据到打印机打印。

4.寄存外设状态的功能

i融L的RS-232c串行通信中是否发送完了一

黠言息,或接收到了一帧信息没有,这些状

态信息均存放在串行通信接口的状态寄存器

中。例如，当CPU发现串行通信端口已发送

完一字节后，便再向串行接口传送一个新的

字节，以便串口接着发送新的字节。

4.寄存外设状态的功能

因此，接口电路中一般设有专门用于存放

外设状态的寄存器。

5.信号的转换功能

外设所提供的状态信息，命令信息以及与数据

信息都可能与微处理器的总线信息并不完全兼

容，CPU和外设二者的信息在功能上的定义、

逻辑关系、逻辑电平的规定以及工作时序不可

能相一致，因此，在接口电路中，要进行信号

的转换，使二者的信号相匹配。

5.信号的转换功能

例如，串行通信逻辑1电平为-3V〜-15V,逻

辑0电平是+3V〜+15V,显然与TTL逻辑电平

不兼容，在串行通信接口中，必须要进行TTL

电平与RS—232c电平的相互转换。

I6.数据宽度变换的功能

星U与I/O接口一侧,是以并行传输方式传

送数据的。而I/O接口与设备一侧是以串行方

式传输数据。因此，在这些外设的接口电路中

就有数据的“并T串”转换和“串T并”转换

的两种功能。

如MODEM.

7.可编程功能

!l----------------------

这里所谓“编程”是指在不改变硬件的前提

下，向接口芯片中某些寄存器写入约定的二

进制信息，以此选择接口芯片的工作方式，

就是常说的对接口芯片进行初始化编程。现

在的接口芯片大都是可编程的，大大方便了

用户对接口芯片功能的选择使用。

4.1.3接口的分类

通用性----------------------

•专用为某类外设的专门设计的接

口。

•通用可供多种外设使用的标准接口。

+可编程性

•可编程仅改软件可实现功能变化,

灵活、可扩充。

•不可编程功能不能重新设定

4.1.3接口的分类

■数据/作送方式=

•并行一次传送多位信息（8位、

16位等）。

串行一■次传送一位信息。

+服务对象

•CPU增强CPU某方面的能力。

・外设实现CPU与外设的通信。

4.2CPU与I/O接口交换的信息

妇^信息,包括输入数据和输出数据。

相反有一个数据端口（数据口）。

②命令信息,接口中相应有一个命令端口（命令口）。

③状态信息,接口中相应有一个状态端口（状态口）。

后两种称之为控制信息，在进行数据信息传送时，起

控制作用。

从广义上讲，上述三种信息均为数据信息，因为这些

信息的传送均是由CPU的数据总线进行传输的，并不

是经过CPU的控制信号线传输来产生的。

I/O接口的典型结构

I/O接口电路

4.3I/O接口的寄存器

*/()接口电路中一般具有三种类型的基本寄

存器，它们是用于存取数据的寄存器，存取命

令信息的寄存器以及存取外设所处状态的寄存

器，习惯上把这些寄存器称为端口。

1、数据端口

2、命令端口

3、状态端口

4.3I/O接口的寄存器

1.数据端口

于中转数据信息。一种情况是CPU通过数据总

线，将待传送给外设的数据先传送到数据端口，

然后由I/O设备通过与I/O接口电路相连接的数

据线取得该数据。

■另一种情况是I/O设备首先将输入数据锁存于数

据端口，然后，CPU通过数据端口将该数据读入

CPU中。数据端口一般既有输出寄存器（或称输

出锁存器），又有输入寄存器（或称输入锁存

器）。

4.3I/O接口的寄存器

3|2、命令端口

用于传送对I/O设备的命令信息。CPU将至

令信息通过数据总线写入I/O接口电路的命

令寄存器中，然后传送到I/O设备，以便控

制外设的操作。它由输出寄存器组成，命

令端口是一个输出端口。

4.3I/O接口的寄存器

1.3、状态端口

用于传送外设所处的状态信息。状态端口是输入

端口，CPU通过读取状态端口的数据，以此了解外

设当前所处的工作状态，比如，如果是输入设备，

则可以通过状态信息了解输入设备是否有了等待输

入的新数据，如果是输出设备，CPU通过读入的状

态信息，可以了解输出设备是否作好了接受CPU传

送新数据的准备。显然，Ibit的状态信息可以反应

1个外设的两种状态，1个8位的状态端口则可以反

应外设的8个状态信息。

4.3I/O接口的寄存器

总之，I/O接口电路中一般有数据端口、命

令端口以及状态端口，每个端口地址是不相

同的，CPU均通过数据总线来传送三种端口的

数据。有些I/O接口中，还有中断控制逻辑电

路，以便外设与CPU之间以中断方式进行输入

或输出，其优点是可以提高CPU的工作效率。

4.3.1I/O端口

青]](Port)是接口电路中能被CPU直接访问的寄

存器的地址。由于有的寄存器寄存的二进制信息

专门用来被CPU读取，有的寄存器用于专门接收

CPU发出来的数据，因此，被CPU访问的寄存器的

地址分为输入端口和输出端口，故称为I/O端口。

4.3.1I/O端口

微卜计第机给接口电路中的每个寄存器分配一

个端口，即给每个寄存器分配一个地址，当

CPU访问这些寄存器时，通过执行I/O指令，由

I/0指令中给出的地址就从地址总线上发出去，

经接口电路中的地址译码器译码后，便可以选

中I/O指令中所指定的寄存器进行R/W访问，并

不要求标明是什么寄存器。

8086用于寻址外设端口的地址线为16条，端口最多为

65536(64K)个，端口范围：为0000H〜FFFFH

4.3.1I/O端口

这样，我们编写初始化程序以及相应的I/O程

序时，只需要用某个寄存器的地址进行编程就

可以了，访问端口就是访问接口中某一寄存器,

对该寄存器进行读操作或写操作。

4.3.2I/O端口的编址方式

*、统一编址

从内存空间划出一部分地址空间留给I/0设

备编址，CPU把I/O端口所指的寄存器当作存储

单元进行访问，直接用访问内存的指令访问I/O

寄存器，这种I/O端口的编址方式被称之为统一

编址，或称为存储器映像的I/O编址方式。

4.3.2I/O端口的编址方式

FFFFFf

内存

部分

存储器空间

I/O

部分

00000<

4.3.2I/O端口的编址方式

*统一编址

优点：不需要设立专门的I/O指令，用访

问内存的指令就可以访问外设，指令类

型多，功能齐全，还可以对端口进行算

术运算，逻辑运算以及移位操作等。I/O

端口空间不受限制。

缺点：是I/O端口占用了内存空间，减

少了内存容量。

4.3.2I/O端口的编址方式

FFFFF

二、独立编址

内存

接口电路中所有的I/O端口统空间

FFFF

一编址，而所有I/O端口建立I/O

空间

的地址空间与内存地址空间是0

两个独立的地址空间O

4.3.2I/O端口的编址方式

、独立编址

优点：不占用内存空间，使用专门I/O指令访问

I/O端口,I/O速度快。

缺点：CPU的引脚上必须具有能区分出访问内

存还是访问I/0端口的信号,作为［/0接口电路

中端口译码电路以及存储器片选译码电路的输

入信号。

4.3.3I/O地址的译码电路

南幽t的译码方法与存储器地址的译码

方法一样，但有它的特点：

1.常采用部分译码方式。可以是中间

地址线不连接、也有最低地址线不连

接的情况。

2.除采用译码器、门电路进行译码夕卜,

I/O地址译码还经常采用可编程逻辑器

件PLD。

IBMPC/XT主机板的I/O译码电路

741sl幅

AaDMACS(8237)

B

INTRCS(8259)

C

，T/CCS(8253)

*PPICS(8255)

G2B•WRTDMAPG

G2A3（写DMA页面寄存器）

AENG1

aWRTNMIREG

(写NMI屏蔽寄存器)

Y6

Y7

IOW

IBMPC/AT主机板的I/O译码电路

ALS138译码器

A

Y0DMA控制器1

B一

CY1中断控制器1

-Y2

A]一定时计数器

-YK3并行接口电路

E1

E-DMA页面寄存器

Ag2Y5

E3-Y6中断控制器2

HLDA—Y7DMA控制器2

MASTER-协处理器

接口芯片内部译码

A0~A4

逻辑门电路进行I/0地址译码

4.3.3I/O地址的译码电路

D7〜D。

A9

AsD7-DO

A5

D7-DO

图6—28位数据端口与低8位数据线的连接

4.4CPU与I/O设备数据传送方式

[pu以及I/O设备的种类繁多,CPU与I/O设备

所构成的系统不可能完全相同，CPU与I/O设

备之间传输数据的方式也不完全相同，接口

电路的结构与功能也不同，驱动程序也不相

同。

一般可以划分为五种传输数据的方式：无条

件I/O传送方式、查询式输入输出方式、中

断控制方式、DMA方式以及I/O处理器控制方

4.4.1无条件输入输出方式

用条件输入输出方式是一种最简单的输入/输

出控制方式，其I/O接口电路及软件比较简单，

所有的操作均由执行程序来完成。

特点：输入接口电路总是准备好了等待输入给

CPU的数据，输出接口电路总是准备好了接受来

自CPU的数据。CPU无须查询I/O设备是否准备就

绪，直接用汇编语言或高级语言编程，实现输入

或输出操作。

此种方式的接口电路是查询式输入输出方式接

口电路的基础。

I4.4.1无条件输入输出方式

置PU与慢速变化的设备交换数据时,可以

认为它们总是处于“就绪”状态，随时可

以进行数据传送，这就是无条件传送。

适合于简单设备，如LED数码管、按键或按

纽等。

无条件传送：输入示例

MOVDX,160H

INAL,DX

无条件传送：输入示例

10Kx8

+5V

数

据74LS244

总

线

SAppApAp1---------------

cs////////

IoRD99999999

■MOVDX,160H

■INAL,DX

无条件传送：输出示例

D7

IOW

MOVDX,160H

MOVALJ1'

OUTDX,AL

数

据

总

线

LEO

CS-cTA

IOWR-q_J

MOVDX,160H

MOVALJ1'

OUTDX,AL

4.4.2查询式输入输出方式

r，.查询式输入方式

当CPU采用查询方式

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。

4.4.2查询式输入输出方式

§.2.查询式输出方式

个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

设是否已经作好了接受

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O

查询式的缺点:

也界外设处于没有准备好或正在忙的情况

rCPU所执行的程序就是在不断地查询

外设状态，直到外设准备就绪。如果外设

出现故障无法准备就绪，则计算机就会出

现死循环。CPU为了服务某一个外设，将

会消耗大量时间，严重影响了CPU的其他

操作，大大降低了CPU的工作效率。

查询式的缺点：

生系统中有多个外设都工作在查询式I/0

方式，CPU必须顺序查询每一个外设，

直到每个外设服务完成后，CPU才响应

其他程序的执行，系统工作效率将会进

一步降低。

查询式的缺点：

而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

它程序会停止执行，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

用于实时监控系统

4.4,3、中断方式输入输出

中断是外设或者其他中断源中止CPU当前正

在执行的程序，转向为申请中断的外设（或中

断源）执行服务程序，一旦服务程序执行结束,

必须返回到被中断程序的断点处，接着执行原

来的程序。

4.4,3、中断方式输入输出

主程序

中断服务程序

中断请求____一

对外设

进行处理

继续执行返回断点

I4.4.3、中断方式输入输出

科斯类似于程序设计中的子程序调用,不同

的是：

引起中断的原因是随机的，而对子程序的调

用是主程序中预先安排的，子程序与中断服

务程序都是预先编写好后，在执行程序时都

已存放在存储器中，子程序可以被主程序随

时调用，而中断服务程序则是通过中断请求

和中断响应后，提供给CPU执行的子程序。

4.4.3、中断方式输入输出

.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，贝I」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。

2个中断源中断过程的示意图

A外设中断

服务程序

B外设中断

服务程序

图6-12两个中断源中断演示意图

4.4.3、中断方式输入输出

・中断控制万式的输入输出是微机中常用

的一门技术