微机与外设的数据传输讲解

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1、微型计算机技术 l 微机中接口的基本概念 l 接口的功能 l 接口电路的基本结构 l 端口的概念 l I/O端口的编址方式 l CPU与输入/输出设备之间的信号 l CPU和外设之间的数据传送方式 无条件传送方式 查询方式 中断方式 微型计算机技术 5.1 I/O接口概述 5.1.1 使用接口电路的原因 接口可起到CPU与不同外设进行串行、并行信息的 转换作用 接口可起到模/数与数/模的转换作用 非数字式信号必须经过转换，使其成为对应的 数字信号才能送到计算机总线。这种A/D，D/A 转换是通过接口来完成的。 接口对I/O过程起到缓冲和联络作用 解决外设存取速度和CPU速度不匹配的问题 n输入

2、输出（I/O）接口：是把外部设备与微型计算机连 接起来实现数据传送的控制电路。 微型计算机技术 外设必须通过接口电路与微机系统总线相连接 数据总线 控制总线 地址总线 数据线 控制线 状态线 接口电路 外部设备 微型计算机技术 5.1.2 接口电路的分类 l 按通用性分类 通用接口：可供多种外部设备使用的标准接口，目 的是使微机正常工作。 通常制造成集成电路芯片，也称为接口芯片。 最初的IBM-PC使用的接口芯片：8284、8288、8255、8259 、8237、8253 后来的微机将这些芯片集成为大规模集成电路芯片，称为 芯片组。 专用接口：为某种用途或某类外设而专门设计的接 口电路，目的

3、在于扩充微机系统的功能。 通常制造成接口卡，插在主板总线插槽上使用 通用接口和专用接口的界限并不严格。 微型计算机技术 接口电路的分类 l 按可编程性分类 v 简单的输入/输出接口芯片 如锁存器74LS373、单向缓冲器74LS244、双向缓 冲器（数据收发器）74LS245等。 v 可编程接口芯片：其功能可以由软件来选用控制。 如并行输入输出接口8255、定时器/计数器8253、 中断控制器8259、DMA控制器8237等。 微型计算机技术 5.1.3 接口电路的功能 l简单地说，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 口的功能概

4、括如下： 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 可编程功能 复位功能 错误检测功能 *对于一个具体的接口来说，未必全部具备这些功能，但必定 具备其中的几个功能。 微型计算机技术 5.1.4 接口电路的基本结构 数据线 控制线 状态线 DB CB AB 数据输入寄存器 (or 三态门) 数据输出寄存器 (锁存器) 状态寄存器 (or 三态门) 命令寄存器 译码 电路 控制 逻辑 微型计算机技术 接口与端口 l 接口是每个外设或每种外设与微处理器相连时使用的 电路。 l 一般在接口的内部除了与外设打交道的工作电路外， 还包含一组程序可访问的寄存器，这些寄存器可以具 有相互

5、独立的地址，也可以几个一组，共用一个地址 。这样的寄存器或寄存器组称为输入/输出端口（I/O port）。 l CPU以访问端口的形式来访问接口。进而CPU通过这些 端口与该接口所连接的外部设备进行信息交换。 为传递的数据提供缓冲、锁存等功能的称为数据端口。 用来保存设备和接口的状态信息，供CPU查询的称为状态端 口。 用来保存CPU发出的命令，以控制接口与外部设备的执行动 作的称为控制（或命令）端口。 微型计算机技术 接口与端口 l 接口上可以包含唯一的端口,也可以包含几个端口。 l 对CPU程序来说，接口仅是一个笼统的概念，而接口 中的各个端口寄存器是CPU程序与接口打交道的具体 对象。

6、l 端口的地址和端口的数据是程序唯一可见的内容，而 接口和外设在程序中是无法直接反映出来的。 l 端口一般分为数据端口、状态端口和控制端口。 微型计算机技术 5.1.5 I/O端口的编址方式 u端口有两种编址方式：统一编址和独立编址。 l 统一编址：把外设接口与内存统一进行编址。各占 据统一地址空间的不同部分。利用对存储器的读写操 作完成数据的输入和输出。 优点 可使用全部对存储器操 作指令，指令多，方便 灵活； 访问控制信号统一。 缺点 内存可用地址空间减小 ； 寻址地址线数多，译码 复杂。 0000H 地址空间(共1MB) 内存地址 (960KB) I/O地址 (64KB) FFFFFH

7、EFFFFH F0000H 微型计算机技术 I/O端口的编址方式 l 独立编址：计算机单独给外设端口编址，外设地址空 间和内存地址空间相互独立。 l PC系列机采用I/O端口独立编址方式 优点：内存地址空间不受I/O编址的影响；I/O空间较存储器 空间小，地址线少，译码电路简单。 缺点：要有专门输入输出指令； I/O指令功能较弱，寻址方 式少，不灵活。 8 0 8 8 总 线 A19-A0 A9-A0 MEMR、MEMW IOR、IOW 、AEN 存储器 输入/输出 微型计算机技术 5.1.6 8086 的I/O编址 把端口地址放在DX寄存器中，对该端口进行读写， 可寻址的端口号为065535

8、(FFFFH) IN AL, DX OUT DX, AL 端口地址小于或等于FFH(255)，可以用立即数表示 端口地址。 IN AL, 42H OUT 43H, AL 微型计算机技术 5.2 CPU与输入/输出设备之间的信号 CPU和I/O设备之间的信号分类 数据信息 数字量 模拟量 开关量 状态信息：对于输入设备来说，用READY信号来标明待 输入的数据是否准备就绪。对于输出设备来说，用 BUSY信号来表示输出设备是否处于空闲状态。 控制信息：如外设的启动信号和停止信号就是常见的 控制信息。 微型计算机技术 5.3 CPU和外设之间的数据传送方式 接口电路控制数据信号的传送，这种传送操作是

9、在 CPU的监控下实现的。对于CPU而言，数据传送就 是输入输出操作，控制接口的传送操作有三种方式： l 程序方式 无条件传送方式 条件传送方式（查询方式传送） l 中断方式 l DMA方式（DMA控制I/O方式） 微型计算机技术 5.3.1 程序方式 程序方式传送是指在程序控制下进行信息传送，又 可分为无条件传送和条件传送方式。 p 无条件传送方式 若程序员能够确信一个外设已经准备就绪，就不 必查询外设的状态而进行信息传输，这称为无条 件传送方式。 在无条件传送方式下，程序设计较简单。 微型计算机技术 无条件传送输入的例子： MOV DX, 160H INAL, DX 无条件传送输出的例子：

10、 MOV DX, 160H MOV AL, BX OUT DX, AL 微型计算机技术 p条件传送方式（查询方式） CPU通过执行程序不断读取并测试外设的状态，根据 外设的工作状态控制外设的输入/输出，即查询方式 。 在此传送方式下，一个数据传送到接口，其过程由3 个环节组成： CPU从接口中读取状态字 CPU检测状态字的对应位是否满足“就绪”条件，如果不满 足，则回到前一步读取状态字。 如执行输入方式时状态字表明外设已处于“就绪”状态， 则传送数据。执行输出方式时状态字表明外设已处于“空 闲”状态，则传送数据。 微型计算机技术 查询式传送输入的例子： 清零与读操作 启动转换 读状态 微型计算

11、机技术 电路原理分析： 启动ADC以后，转换结束时产生EOC信号，把转换 结果锁存至锁存器，把状态触发器置为1，表示数据 已经准备好。 1. 控制端口写164H端口，译码器输出和IOW 信号同时有效，启动ADC转换。 2. 状态端口读162H端口，译码器输出和IOR 信号同时有效，打开通过D0读取状态信息。 3. 数据端口读160H端口，译码器输出和IOR 信号同时有效，打开三态缓冲器，从D7D0读入数 据，同时清除状态信息。 负脉冲 微型计算机技术 程序示例：从ADC读取一个数据到AL。 READ ：MOV DX, 160H IN AL, DX ；清状态 MOV DX, 164H OUT D

12、X, AL ；启动ADC READ1： MOV DX, 162H IN AL, DX ；查询状态 TEST AL, 1 ；同01H进行与运算 JZ READ1 MOV DX, 160H IN AL, DX ；读取数据 RET 微型计算机技术 查询式传送输出的例子： 启动外设 数据准 备好 取走数据否 清除状态 微型计算机技术 电路原理说明： 写到164H端口，产生一个负脉冲来启动外设开始 工作。 写数据到160H端口，CPU输出数据到锁存器，同 时置“1”状态触发器，为外设提供状态信息：“数 据已准备好”。 读取162H端口，CPU查询状态，看外设是否取走 数据。（外设取走数据，则将发出ACK

13、信号，清 除状态触发器） 微型计算机技术 程序示例：将AL中的数据输出。 WRITE ： MOV DX, 164H OUT DX, AL ；启动外设 MOV DX, 160H OUT DX, AL ；输出数据 MOV DX, 162H WRITE1: IN AL, DX；查询状态 TEST AL, 1 JNZ WRITE1 RET 微型计算机技术 查询方式特点 l 通过查询实现CPU与外设间的同步联络 l CPU和外设串行工作 l 接口电路简单 l CPU使用率不高，用CPU的等待实现与外设的同步 微型计算机技术 5.3.2 中断方式 l 中断方式：当外设做好传送准备后，主动向CPU请求 中断

14、，CPU响应中断后在中断处理程序中与外设交换 数据。若外设未准备好，CPU可以执行其他程序，提 高了CPU的利用率。 每条指令完成后，CPU均可响应中断，因此当设备准备好时 ，可及时与CPU交换数据，提高了实时性。 被外界中断时，程序中下一条指令所在处称为断点。 中断传送方式就是外部设备中断CPU的工作，使CPU停止执 行当前程序，而去执行一个数据输入/输出的程序（该程序 称为中断处理子程序或中断服务子程序）。中断子程序执 行完毕后，CPU又返回来执行原来的程序。 微型计算机技术 中断I/O的一般过程 a.数据传送 b.中断响应 c.中断请求 CPU接口 外 设 微型计算机技术 中断优先级解决

15、办法（1） l 软件查询方式：借助于简单的硬件电路。 优点：省硬件，不需要有判断优先级的硬件排队 电路，而是用程序的优先级来确定设备的优先级 。 缺点：由设备发出中断请求信号到CPU转入相应 的服务程序入口的时间较长，特别是在中断源较 多时，查询程序段较长，转入服务程序所花的时 间较长。 微型计算机技术 中断优先级解决办法（2） l 简单硬件方式菊花链法 CPU 以及 总线 控制 逻辑 INTA INTR 设备3 接口 菊花链 逻辑电路 中断 回答 中断请求 设备2 接口 菊花链 逻辑电路 中断 回答 中断请求 设备1 接口 菊花链 逻辑电路 中断 回答 中断请求 微型计算机技术 菊花链逻辑电

16、路 中断回答 中断请求 INTA INTR 微型计算机技术 中断优先级解决办法（3） l 专用硬件方式 在微机系统中解决中断优先级管理的常用办法是采 用可编程的中断控制器。在8086系统中多用8259A 。 可编程中断控制器中的中断类型寄存器、屏蔽寄存 器都是可编程的，当前中断服务寄存器也可以用软 件进行控制，中断优先级管理电路的优先级排列方 式也是通过指令来设置的，用起来灵活方便。 微型计算机技术 8086的中断过程 接口部件发中断请求信号IRQ 当前指令执行完后，CPU进行中断回答INTA 接口部件将中断类型号n送到CPU CPU将FLAGS，CS，IP推入堆栈 CPU清除TF，IF CPU将n乘4，到中断向量表中查找中断服务程序的入口地址， 并将该地址放入CS，IP CPU进入中断服务子程序，进行保护