微机和外设的数据传输.ppt

1、北京工业大学计算机学院,1,第三讲 微型计算机和外设的数据传输,北京工业大学计算机学院,2,教学建议，本章重点为: 为什么要用接口； CPU和输入/输出设备之间的信号； 接口的功能以及在系统中的连接； CPU与外设之间的数据传送方式; 中断传输的原理； DMA方式的原理； 输入/输出过程中接口部件和地址总线错位连接的原理。,北京工业大学计算机学院,3,5.1 为什么要用接口,要构成实际的微型计算机系统，除了微处理器外，还需要各种接口。 定义: I/O接口是设置在CPU与外设之间的一组控制电路。其基本功能是对数据传送的控制。 接口按功能分为两类： 使CPU正常工作所需要的辅助电路，使CPU得到时

2、钟信号或接收外部的多个中断请求 输入/输出接口，接收外部设备送来的信息或发送到外部的信息。,各种I/O卡都是I/O接口,如显卡、声卡等。,北京工业大学计算机学院,4,5.1 为什么要用接口,外部设备为什么一定要通过接口和主机相连? CPU与外部设备交换信息的过程和CPU与存储器交换数据一样都要通过总线来完成，但CPU和外设之间直接进行信息交换会带来的一些问题，只有用接口电路解决,保证CPU和外设之间能在速度、电平、格式和时序上进行匹配。 。 采用接口的原因： 外部设备功能多种多样。 信息转换和缓冲，外部设备的信息既有数字式，又有模拟式，即可串行，有可并行 时序上的原因 多个外设共享总线的原因

3、速度的原因,北京工业大学计算机学院,5,5.2CPU和输入/输出设备之间的信号,CPU和外设之间传输信号的分类 数据信息 数字量 模拟量 开关量 状态信息 控制信息 注意： CPU与外设通信时，传送数据信息、状态信息和控制信息各不相同，应该分别传送。但也可都看成数据信息，状态信息和控制信息也可通过数据总线来传送。,北京工业大学计算机学院,6,5.3接口部件的I/O端口,I/O端口是指外设接口中存放和传送数据信息、控制信息和状态信息的寄存器,各类信息在接口中进入不同的寄存器，这些寄存器称为I/O端口，每个端口有一个端口地址。CPU用IN或OUT指令对其进行读或写。,北京工业大学计算机学院,7,I

4、/O端口的类型 数据端口：用来存放外设和CPU之间交换的数据，主要起数据缓冲的作用。 状态端口：主要用来指示外设的当前状态，每个外设可以有几个状态位，可由CPU读取。常见的状态位有：准备就绪；忙碌、错误位 命令端口也称为控制端口，用来存放CPU向接口发出的各种命令和控制字，以便控制接口或设备的动作 常见的命令信息有启动位、停止位、允许中断位等。常见的控制位有方式选择控制字、操作命令字,北京工业大学计算机学院,8,二. I/O端口的寻址方法 CPU对I/O接口电路相应的端口进行访问，和存储器一样，也需要由译码电路来形成I/O端口地址，端口地址不能重复 I/O端口的编址方式有两种：与存储器统一编址

5、方式和I/O 独立编址方式。 1、与存储器统一编址方式 把I/O端口和存储单元一样对待，统一编址，访问存储器的所有指令均可用来访问I/O端口。实际上是把I/O地址映射到存储空间作为存储空间的一小部分。,北京工业大学计算机学院,9,优点： 1、省去单独的I/O指令和控制线。 2、用于存储器的所有指令均可用于I/O接口操 作，因此使I/O接口功能较强，使用灵活。 缺点： 1、占用了存储器的一部分地址空间，缩小了 存储器的地址范围。 2、对I/O接口访问需要全字长地址译码，指令 执行速度较慢。,北京工业大学计算机学院,10,2、I/O独立编址方式 CPU设立单独的输入输出指令和控制线，从而与存储器指

6、令区分开，将I/O接口地址区与存储器地址区分别各自单独编码，用专门的IN和OUT指令。 8086允许64K个8位的I/O端口。即使用A15-A0这16根地址线访问64K个I/O端口。 8086CPU在执行访问I/O端口的指令(IN或OUT)时,从硬件上会产生有效的RD或WR信号,同时使M/IO处于低电平,通过外部逻辑电路的组合产生对I/O端口的读信号或I/O端口的写信号. IN : 数据输入,完成读数据,读状态. OUT : 数据输出,完成写命令,输出数据,北京工业大学计算机学院,11,优点： 1、不占用存储器的地址。 2、地址线少，译码电路简单。 3、执行时间快。 缺点： 1、指令少，编程不

7、灵活。 2、要设置专门的控制线和操作码进行I/O访问。 3、I/O端口数量受限制。,北京工业大学计算机学院,12,(1)直接I/O寻址(取值范围:00FFH) IN AL, PORT OUT PORT , AL (2)间接I/O寻址(取值范围:0000FFFFH) MOV DX , XXXXH IN AL , DX OUT DX , AL,CPU对I/O接口的寻址方式,北京工业大学计算机学院,13,例:,控制口地址为FFF8H , 命令为80H MOV DX , 0FFF8H MOV AL , 80H OUT DX , AL,注: 1.CPU对外设寻址最大64K个端口地址 2.直接I/O寻址范

8、围 00H-FFH 3.间接I/O寻址范围 0000H-FFFFH,北京工业大学计算机学院,14,5.4接口的功能以及在系统中的连接,5.4.1 接口的功能 寻址功能：提供地址译码电路，对I/O端口进行寻址 输入/输出功能：设置数据缓冲以解决速度不匹配；读/写信号 数据转换功能：设置信号电平转换电路解决信号电平不匹配; 设置信息转换逻辑满足对各自格式的要求; 设置信息转换逻辑 如:A/D, D/A; 并串转换. 设置时序控制电路来同步CPU和外设的工作 可编程功能 错误检测功能,北京工业大学计算机学院,15,5.4.2 接口与系统的连接,典型的I/O部件和外部电路连接图,北京工业大学计算机学院

9、,16,5.4.2 接口与系统的连接,用读信号、写信号和地址A0区分4个寄存器(若A 、 B可写,C 、 D可读),表5.1,北京工业大学计算机学院,17,I/O端口译码 门电路 译码芯片(138,139,154),北京工业大学计算机学院,18,例1. CPU无条件地读取开关状态,1,输出设备:LED发光二极管,北京工业大学计算机学院,20,地址 译码器,输 出 锁 存 器,D7D0,WR,地址 总线,至输出设备,来自输入设备,M/IO,RD,输 入 缓 冲 器,5 .5 CPU与外设之间的数据传输方式,北京工业大学计算机学院,21,5 .5 CPU与外设之间的数据传输方式,2、条件传送：CP

10、U与外设交换数据时,很难保证输入设备总是准备好了,或者输出设备已处在可以接收数据的状态,所以传送前CPU需查询状态标志,以确定是否传送或接收。 传送过程： CPU从接口中读状态字；输入： CPU在输入数据前查询外设数据是否准备好，输出： CPU在输出数据前先用指令查询外设缓冲器是否为空？ CPU检测状态字对应位是否满足条件，如不满足，则回前一步读取状态字 若已就绪，则传送数据,北京工业大学计算机学院,22,输入 设备,数据 锁存器,数据 缓冲器,三态 缓冲器,D,Q,R,+5V,数据,地址,译码器,READY,状态信号,M/IO,RD,M/IO,RD,选 通 信 号,C,CS1,CS2,A0A

11、15,D0D7,查询式输入的接口电路：由数据口和状态口组成。状态口由一个D触发器和一个三态门构成。输入设备准备好数据，发一个选通信号，把外设数据打入接口的锁存器和使接口的Q端为1。,5 .5 CPU与外设之间的数据传输方式,北京工业大学计算机学院,23,ACK,M/IO,输 出 设 备,R D Q C,锁 存 器,三态 缓冲器,+5V,WR,数据总线,地址 总线,M/IO,RD,状态信息,“BUSY”,地址 译码器,D1,CPU,CS1,CS2,查询式输出的接口电路,查询式输出的接口电路：ACK有效时，CPU读入状态检查到BUSY=0时，才执行数据输出指令。输出数据时，选通信号的下沿，使D触发

12、器的Q端置为1。,选通信号,北京工业大学计算机学院,24,N,查询式输入的流程图,初始化,读状态,处理缓冲区中的数据,数据传送到内存缓冲区,处理数据,读入一个字或一个字节到CPU,数据准备就绪？,传送完？,后续处理,Y,N,Y,查询式输入数据的程序段见书P185,北京工业大学计算机学院,25,初始化,读入状态,结束,数据传送到外设缓冲区,输出一个字或一个字节到外设,忙否？,操作完成否？,Y,N,N,Y,查询式 输出过程的流程图,北京工业大学计算机学院,26,1、中断传送方式的原理,用查询方式使CPU与外设交换数据时，CPU不断检查外部设备的状态,当外设的速度很低时,会占用很多的CPU时间，而真

13、正用于CPU的时间又很少，使CPU的利用率变得很低，外设缺少主动性。见书上的例子， 当有多个设备工作，还需要轮询，实时性很难保证 为了提高CPU的利用率和具有实时性，可以采用中断方式：CPU平时可以执行主程序，当外设准备好数据才向CPU发中断请求。CPU响应中断，转去执行中断服务程序，完成一次CPU与外设的数据交换，CPU又返回执行原来的程序继续。,5 .5 .2 中断方式,北京工业大学计算机学院,27,中断方式的接口电路,5 .5 .2 中断方式,北京工业大学计算机学院,28,可屏蔽中断的响应和执行,5 .5 .2 中断方式,北京工业大学计算机学院,29,当系统中有多个设备用中断方式和CPU

14、进行数据传输时，需要解决优先级的问题，当前微机系统主要采用可编程的中断控制器的方法,2、中断优先级问题的解决,北京工业大学计算机学院,30,1、DMA传送方式的提出 中断方式比程序控制方式大大提高了CPU的利用率，由于每完成一次数据交换，就要产生一次中断。一次中断需要CPU处理许多额外操作，造成效率下降。当CPU与高速外设交换信息时，中断方式仍显得太慢。例如：和磁盘之间的数据交换。 为了解决问题可采用DMA的传送方式，直接存储器存取，由硬件直接实现数据块的传送。 数据不经过CPU控制传送，而由外部单独的专门控制器-DMA控制器来控制，使数据直接在I/O接口和存储器之间传送，这就是对存储器的直接

15、存取方式。简称DMA方式。,5 .5 .3 DMA方式,北京工业大学计算机学院,31,2、DMA控制器的功能和DMA传送原理,5 .5 .3 DMA方式,DMA控制器的应具备的功能：见书p192,用DMA方式传输单个数据(输出过程),北京工业大学计算机学院,32,5.5.3 DMA方式,DMA控制器的内部最小配置和接口要求,北京工业大学计算机学院,33,5.5.3 DMA方式,DMA方式从接口往内存传输一个数据块，将按下面的过程动作： 发一个DMA请求。 发总线请求 地址寄存器的内容送到地址总线上。 发确认DMA传输的信号。 数据送到地址总线所指出的内存单元。 地址寄存器的值加1。 字节计数器

16、的值减1。 如字节计数器的值不为0，则回到;否则结束,北京工业大学计算机学院,34,对I/O接口的要求 控制寄存器中须有一位用来指出数据传输方向，供DMA判断输入/输出 控制寄存器中须有一位用来启动I/O操作，通过设置此为启动外设的动作 状态寄存器中须有一位用来指出设备当前是否处于忙状态 对DMA控制器的要求 控制寄存器中专有一位作为DMA允许位，控制响应接口的DMA请求 控制寄存器中须有一位用来确定DMA方向，DMA发送读信号/写信号 控制寄存器中须有一位用来进行一次传输后，是否放弃总线控制权 状态寄存器中须有一位用来表示数据块传输是否结束,5.5.3 DMA方式,北京工业大学计算机学院,3

17、5,系统对DMA控制器和接口部件预置信息 往DMA控制器的字节计数器置初值，以决定数据传输长度 往DMA控制器的地址寄存器置初值，以确定数据传输所用的存储区的首址 对DMA控制器置控制字，指出传输方向、是否进行块传输，并启动DMA操作 对接口部件设置控制字，指出传输方向，并启动I/O操作,5.5.3 DMA方式,北京工业大学计算机学院,36,3、DMA控制器的工作特点 一方面是一个接口 另一方面能够控制系统总线 DMA控制器在传送数据时不需指令，而是通过硬件逻辑电路用固定的顺序发送地址和读/写信号,5.5.3 DMA方式,北京工业大学计算机学院,37,5.5.4 输入/输出过程中提出的几个问题,1、系统和接口的联系方式 查询方式检测状态寄存器的就绪位 中断方式，就绪后，发中断请求 DMA方式，接口向DMA控制器发DMA请求 2、优先级 当几个设备处于同一种传输方式之下，同时发传输请求时如何响应 3、缓冲区 系统和外设之间传输一系列数据，传输完后，这些数据才能被使用，用内存中的若干存储单元存放,北京工业大学计算机学院,38,5.5.5 接口和多字节数据总线的连接,随着CPU的不断升级，数据总线的位数不断增加，8086的数据总线是16位，而I/O接口部件8位接口芯片，如何和数据总线连接 I/O接口部件常常连在低8位数据总线上,北京工业大学计