第六章微型计算机和外设的数据传输.ppt

1、1,第六章 微型计算机和外设的数据传输,.1 接口技术的基本概念 .2 I/O端口编址方式 .3 I/O端口地址分配 .4 I/O端口地址译码 .5 I/O程序传送方式,2,.1 接口技术的基本概念,一、 接口的概念和功能 二、 接口电路的典型结构 三、 外部设备特点 四、 I/O接口和 I/O端口,3,一、 接口的概念和功能,1、接口和接口技术 2、为什么要用接口电路？,4,1、接口和接口技术,5,6,外设是用来实现人机交互的一些机电设备。 外设处理信息的类型、速度、通信方式与CPU不匹配, 不能直接挂在总线上，必须通过接口和系统相连,2、为什么要用接口电路？,7,二、接口电路的典型结构,从

2、编程角度看，接口内部主要包括一个或多个 CPU可以进行读/写操作的寄存器，又称为I/O端口。 各I/O端口由端口地址区分。,8,按存放信息的不同，I/O端口可分为三种类型 数据端口：用于存放CPU与外设间传送的数据信息 状态端口：用于暂存外设的状态信息 控制端口：用于存放CPU对外设或接口的控制信息， 控制外设或接口的工作方式。,1001 0101 (状态端口),0110 1010 (数据端口),1100 0110 (控制端口),地址 译码,数据 缓冲,控制 电路,外 设,AB,DB,CB,C P U,9,CPU对外设输入/输出的控制， 是通过对接口电路中各I/O端口的读/写操作完成。,10,

3、三、外部设备特点,由以上特点，对I / O 部分设计必须考虑两个问题： A 外设如何与CPU连接-必须通过I/O接口. B CPU如何寻址相应的I / O 设备-通过寻址与设备对应的I/O端口.,（1）品种繁多。 （2）工作速度一般比CPU慢，且速度的分布也相当宽。 （3）信号类型与电平种类多样化。 （4）信息结构形式复杂。,11,四、 I/O接口和 I/O端口,1.I/O接口 （1） I/O接口是一电子电路(以IC芯片或接口板形式出现 ),其内有若干专用寄存器和相应的控制逻辑电路构成.它是CPU和I/O设备之间交换信息的媒介和桥梁.,（2）I/O接口的基本功能为: 进行端口地址译码设备选择

4、向CPU提供I/O设备的状态信息和进行命令译码 进行定时和相应时序控制。 对传送数据提供缓冲，以消除计算机与外设在“定时” 或数据处理速度上的差异。 提供计算机与外设间有关信息格式的相容性变换。 提供有关电气的适配 还可以中断方式实现CPU与外设之间信息的交换,12,（3）CPU与I / O之间的接口信号,数字：如二进制表示的字母.BCD码.ASC2码或字符。,开关量：一些两个状态的量。,状态信号：表示I/O装置状态的量。,控制信号：如CPU发出的R/W信号和从外设发来的中断信号等。,CPU,I / O 设置,数据,状态,控制,13,对CPU来说，外设状态信息须作为数据输入，而其控制命令作为数

5、据输出，为使它们与数据相互区别-这三者必须从各自端口出入。,14,2. I/O端口 是 I/O接口中可通过编程实现寻址并进行读写的寄存器。CPU 与外设之间交换信息具体是通过I/O端口来进行的。 即 端口 寄存器,注意:1.一个外设与CPU交换信息往往需要几个端口： 数据端口 控制端口 状态端口,有时可以合用,15,2.在微机系统中，每个端口 分配有唯一的地址码，称之为端口地址。 3.CPU对外设的访问实际上是通过对I/O端口的访问来实现的-因为端口与设备是一一对应的关系 4.I/O通道也就是可以传送和暂存数据的实际通路,所以 I/O端口有时也称作I/O通道。,16,CPU与外设通过I/O接口

6、通信示意图：,17, 5.2 I/O端口编址方式,一、 存储器映象I/O寻址 二、 独立I / O 的寻址方式 三、 80X86的I/O指令,18,一、 存储器映象I/O寻址 1. 基本结构 从存储器空间划出一部分地址空间给I/O设备，把I/O接口中的端口当作存储器单元一样进行访问，不设置专门的I/O指令。,19,2.特点 （1） 主存单元与I/O端口一起编址。 （2） 据地址区分访问是I/O端口还是主存。 （3） 系统中可以不设I/O指令。 3.优缺点 （1）指令兼容性，存储器指令也可用于I/O数据。 （2）I/O接口有较大的编址空间。 （3）I/O部分的控制逻辑比较简单。 但是，其指令功能

7、不强，且处理机芯片有额外的对I/O进行操作的控制引脚。,20,二、独立I / O 的寻址方式,1. 特点 （1） 主存单元与I/O端口分开寻址 （2） 设置I/O指令 （3） 指明是访问I/O端口，还是主存单元？ 2. 基本结构： 略 3. 优缺点： （1） 独立的控制结构，使其可与存储器分开进行设计。,21,但是，其指令功能不强，且处理机芯片有额外的对I/O进行操作的控制引脚。,（2） 单独的I/O指令，可与访问存储器的指令区分。 （3） 指令地址较短，所需译码硬件较少。 （4） 指令格式较短，执行时间也短。,22,三、 80X86的I/O指令,1. 输入指令 IN IN AL ， n IN

8、 AX ， n IN AL ， DX IN AX ， DX 2. 输出指令 OUT OUT N ， AL/AX； OUT DX ，AL/AX； 说明: 两种指令均可传送一个字节或字，且只能通过AL或者AX传送。 如：IN指令中的目的操作数必须是AL（字节传送）或AX（字传送）,23,四、独立编址方式的端口访问 1. I/O指令中端口地址的宽度 IBM-PC系列采用I/O(input/output)指令访问端口，实现数据的I/O传送。,在I/O指令中可采用单字节地址或双字节地址寻址方式。若用单字节地址作业端口地址，则最多可访问256个端口。其指令格式为： IN AL,PORT ；输入 OUT P

9、ORT,AL ；输出 这里，PORT是一个8位的字节地址。,例如： IN AL,60H ；60H为系统板8255A的PA端口地址 OUT 61H,AL ；61H为系统板8255A的PB端口地址,24,双字节地址作为端口地址，则最多可寻址216=64K个端口。 MOV DX, H IN AL, DX ；8位传送 MOV DX, H OUT DX,AL ；8位传送 这里， H 为16位的两字节地址。,例如： MOV DX,300H ;300H为扩展板8255A的PA端口 IN AL,DX MOV DX,301H ; 301H为扩展板8255A的PB端口 OUT DX,AL,25,2. I/O端口访

10、问 所谓对端口的访问就是CPU对端口的读/写。将端口的数据传送存储器 例如： 输入时 MOV DX,300H ;I/O端口 IN AL, DX ;从端口读数据到AL MOV DI,AL ;将数据从AL存储器 输出时 MOV DX,301H ;I/O端口 MOV AL,SI ;从内存取数到AL OUT DX,AL ;数据从AL端口,26,.3 I/O端口地址分配,一、I/O接口硬件分类 二、I/O端口地址分配 三、I/O端口地址选用的原则,27,一、I/O接口硬件分类 I/O接口的硬件分成两类： 1.系统板上的I/O芯片 如定时/计数器、中断控制器、DMA控制器、并行接口等。 2. I/O扩展槽

11、上的接口控制卡 如软驱卡、硬驱卡、图形卡、声卡、打印卡、串行通信卡等。,28,二、I/O端口地址分配 PC微机是根据上述I/O接口的硬件分类，把I/O空间分成两部分。 PC微机I/O地址线可有16根，对应的I/O端口编址可达64K字节，其端口地址译码是采用部分译码法，即只使用了低10位地址线一个A0A9，故其I/0端口地址范围是0000H003FFH,总共只有1024个端口。,29,表1 系统板上接口芯片的端口地址 I/O芯片名称 端口地址 DMA控制器1 00001FH DMA控制器2 0C00DFH DMA页面寄存器 08009FH 中断控制器1 02003FH 中断控制器2 0A00BF

12、H 定时器 04005FH 并行接口芯片（键盘接口） 06006FH RT/CMOS RAM 07007FH 协处理器 0F00FFH,30,表2 扩展槽上接口控制卡的端口地址 I/0接口名称 端口地址 游戏控制卡 20020FH 并行口控制卡1 37037FH 并行口控制卡2 27027FH 串行口控制卡1 3F83FFH 串行口控制卡2 2F02FFH 原型插件板（用户可用） 30031FH 同步通信卡1 3A03AFH 同步通信卡2 38038FH 单显MDA 3B03BFH 彩显CGA 3D03DFH 彩显EGG/VGA 3C03CFH 硬驱控制卡 1F01FFH 软驱控制卡 3F03

13、F7H PC网卡 36036FH,31,三、I/O端口地址选用的原则 凡是被系统配置占用了的地址一律不能使用； 未被占用的地址，用户可以使用，但申明保留的地址，不要使用。 用户可使用300H31FH地址。,32,.4 I/O端口地址译码,一、I/O地址译码电路工作原理及作用 二、I/O地址译码方法 三、I/O端口地址译码电路设计,33,一、I/O地址译码电路工作原理及作用 译码电路的输入信号 I/O地址译码电路不仅仅与地址信号有关，而且与控制信号有关。 二、I/O地址译码方法 高位地址线与CPU的控制信号进行组合，经译码电路产生I/O接口芯片CS的片选。 低位地址线不参加译码，直接连到I/O接

14、口芯片，进行I/O接口芯片的片内端口寻址，即寄存器寻址。,34,三、I/O端口地址译码电路设计 1.固定式端口地址译码 固定式是指接口中用到的端口地址不能更改。 例1：使用74LS20/30/32和74LS04设计I/O端口地址为2F8H的只读译码电路。 分析：若要产生2F8H端口地址，则译码电路的输入地址线就应具有如下所示的 值。 译码电路输入地址线的值 地址线 0 0 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 二进制 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 十六进制 2 F 8,35,译码电路输入： 地址线:10根,地址值：2F8H A9A0=1011111000

15、B 控制线：AEN=0 IOR=0 译码电路输出：Y=0 为译码选中。,/AEN是总线选通信号,36,37,当执行指令： MOV DX，2F8H I N AL，DX 时， Y=0 ，对应端口被选中,38,2.可选式端口地址译码-即 采用比较器设计可选址的译码电路,地址线：A1A0不参加译码。 A4A3A2输入组合使74LS138译码器输出八个片选信号。 A5=0，A9A8A7A6采用比较器和跳线开关变址。 比较器为74LS85，A0A1A2A3和B0B1B2B3为待比较的数据。 输入“A=B”为高选择相等比较。 输出“A=B”为1输入两组数据相等，否则 输入两组数据不相等。,39,40,一、无

16、条件传送方式 二、有条件传送方式 三、中断传送方式 四、DMA传送方式, 5.5 I/O程序传送方式,41,无条件程序控制方式（一）,最简单的I/O控制方式，CPU可以随时根据需要无条件地读写I/O端口 外设要求：简单，数据变化缓慢，操作时间固定，如一组开关或LED显示管。外设被认为始终处于就绪状态 接口特点 CPU的DBI/O接口(输出锁存器)外设 CPU的DBI/O接口(输入缓冲器)外设,41,42,无条件程序控制方式（二）,42,43,无条件程序控制方式（三）,例 START: MOV DX，INPORT IN AL，DX；读入按键状态 TEST AL，01H；判断最低位按键 JNZ K

17、1；最低位按键没闭合，转 MOVAL，01H；最低位发光 JMPDISP K1：TEST AL，02H； JNZ K2；次低位按键没闭合，转 MOVAL，03H；最低2位发光 JMPDISP .,DISP: MOV DX，OUTPORT OUT DX，AL； JMP START,43,44,程序查询输入方式(条件传送方式 ),接口特点：避免了对端口的“盲读”、“盲写” ，数据传送的可靠性高，并且硬件接口相对简单。缺点是CPU工作效率低，I/O响应速度慢；,外设要求：状态口和数据口,在有多个外设的系统中，CPU的查询顺序由外设的优先级确定,一种CPU主动、外设被动的I/O操作方式，很好地解决了C

18、PU与外设之间的同步问题,44,45,查询控制的程序流程,45,46,程序查询方式的输入接口电路,46,47,数据端口(8位),状态端口(1位),状态信息占用数据线的D0位，查询程序如下： QUERY:IN AL，S_PORT；状态口地址SAR AL，1JNCQUERYINAL，D_PORT；D_PORT是数据口地址,查询输入程序,47,48,查询方式的A/D采样,WAIT：IN AL，51H；读状态端口的值 TESTAL，10H；判断D4是否为1？ JZ WAIT；不是1，等待 IN AL，50H；读数据端口的值 MOVBUF，AL；将数据送到数据缓冲单元,48,49,程序查询输出方式,49

19、,50,数据端口(8位),状态端口(1位),BUSY,输入状态信息,BUSY?,输出数据信息,N,Y,QUERY：INAL，S_PORT；状态口地址 SARAL，1 JCQUERYOUT D_PORT，AL；D_PORT数据口地址,查询输出程序,50,51,查询方式的打印机接口,WAIT：IN 7AH，AL；读状态端口 TEST AL，04H；判断D2是否为0？ JNZ WAIT；不是0，等待 MOV AL，BUF；取数据 OUT 78H，AL；将数据送到打印机接口,51,52,多个外设的查询,CPU周期性地依次查询每个外设的状态 优先权决定了查询次序 不具有实时性,52,53,中断控制方式,

20、接口特点：避免了CPU 反复低效率的查询，适用于CPU任务繁忙、而数据传送不太频繁的系统中。缺点是硬件电路和处理过程都比较复杂;（中断控制芯片）,CPU被动而外设主动的I/O操作方式，较大地提高了CPU的工作效率，并使系统具有了实时处理功能,53,54,中断控制方式,数据缓冲,控制端口,外 设,INTR,中断可被响应的条件： 中断请求触发器置位；中断屏蔽触发器清零；CPU内部开放中断；CPU未处理更高级中断；CPU现行指令执行完,54,55,中断工作过程,外设需要CPU服务时 外设I/O接口向CPU发中断请求，INTR=H(中断请求有效) CPU执行完当前指令后, (注: 若IF = 1) C

21、PU I/O接口 外设发中断响应，/INTA = L CPU执行中断服务程序, CPUI/O接口外设读写数据,55,56,DMA控制方式(存储器直接存取),内存与外设间有大量数据交换时，采用中断方式，每传送一次数据，就必须经历中断处理的全部步骤，而且一般需要借助CPU内部的寄存器作为中介 DMA方式：不用CPU的寄存器作传数中介, 完成存储器和外设间的直接传数，CPU必须将系统总线的控制权让给DMAC,56,57,DMA方式原理方框图,DB HOLD CPU HLDA AB,DMAC,MEM,I/O,57,58,DMA的工作流程,DMAC发存储器地址,在总线上传送数据,传送结束？,修改地址指针

22、,DMA结束，交还总线权,Y,N,58,59,能实现上述操作的DMA控制器的硬件方框图下如图所示。,60,随着大规模集成电路技术的发展，DMA传送已不局限于存储器与外设间的信息交换，而可以扩展为在存储器的两个区域之间，或两种高速外设之间进行DMA传送，如右图所示。,61,DMA操作的基本方法,（1）. 周期挪用 (Cycle Stealing) 利用CPU不访问存储器的那些周期来实现DMA操作。此时，DMAC可以使用总线而不通知CPU也不会妨碍CPU的工作。但关键是如何识别CPU可挪用的周期，以免与CPU的操作发生冲突。某些CPU能产生一个表示存储器是否正在被使用的信号（M6800的VMA）。 特点：不影响不减慢CPU的操作； 需要复杂的时序电路； 数据传送过程是不连续的和不规则的。,61,62,（2）.周期扩展 当需要进行DMA操作时，由DMAC发出请求信号给专门的时钟电路，时钟电路将供给CPU的时钟周期加宽，而提供给存储器器和DMAC的时钟周期不变。CPU在加宽的时钟周期内操作不往下进行，而这加宽的时钟周期相当于若干个正常的时钟周期，用于进行DMA操作。加宽的时钟周期结束后，CPU仍按正常的时钟继续操作。 特点：降低了CPU的处理速度； 需要专门的时钟发生器/驱动电路； 数据一次只能传送一个字节。,62,63,（3）.CPU停机 当需要进行DMA操作时，D