微机和外设的数据传输

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1、第 5 章微型计算机和外设的数据传输微型计算机和外设的数据传输本章重点: 接口电路的功能 接口部件和I/O端口的含义 CPU和外设之间的三种数据传输方式、各自优 缺点和使用场合 接口部件和多字节数据总线、地址总线的连接第5章 微型计算机和外设的数据传输n5.1 为什么要用接口电路n5.2 CPU和输入输出设备之间的信号n5.3 接口部件的I/O端口n5.4 接口的功能以及在系统中的连接n5.5 CPU和外设之间的数据传送方式5.1 为什么要用接口电路 （1）接口电路按功能可分为两类:q使微处理器正常工作所需的辅助电路q输入输出接口电路 （2）为什么要用接口电路?q模拟 数字q串行 并行q多个外

2、设并口q速度5.1 为什么要用接口电路n输入输出接口电路是为了解决计算机和外设 之间的信息变换和缓冲问题而提出来的。n接口技术专门研究CPU和外设之间的数据传 送方式、接口电路的工作原理和使用方法。5.2 CPU和输入输出设备之间的信 号 CPU和输入输出设备之间有以下几类信号 :（1）数据信息,又分为：n数字量：二进制形式的数据或以ASCII码表示的数 据及字符。n模拟量：连续变化的物理量。n开关量 （2）状态信息q反映外设的工作状态；由外设通过接口送给CPU 5.2 CPU和输入输出设备之间的信 号（3）控制信息 qCPU通过接口送给外设；控制外设工作n数据信息、状态信息和控制信息都通过数

3、据 总线来传送；n数据信息放在接口的数据缓冲器中；n控制信息送到接口的控制寄存器中；n状态信息放在接口的状态寄存器中；5.3 接口部件的I/O端口 n接口部件中的寄存器称为I/O端口。n每个端口分配一个端口地址。n数据端口 n状态端口 n控制端口或命令端口nI/O端口的两种编址方式：与存储器的统一编址、I/O端 口独立编址。 n微机系统中通常建立两个地址空间：内存地址空间、I/O 地址空间。 n输入/输出指令。 图5-1 外设通过接口和系统的连接 Cpu对外设进行输入输出操作对接口芯片中各端口进行读写操作5.4 接口的功能以及在系统中的连接接口的功能 接口与系统的连接 5.4.1 接口的功能

4、基本功能：在系统总线和I/O设备之间传输信号,提供信号变换 和缓冲作用。 1. 寻址功能 n识别区分存储器和I/O的信号 n识别片选信号 n选择接口中的寄存器 2. 输入输出功能 n根据读写信号判断传输方向 n传输数据、控制和状态信息3. 数据转换功能 n把CPU的并行数据转换成一些外设所需的串行数据 ；n把外设的串行信息转换成并行数据送往CPU。 4. 联络功能 n当数据传送完后，能发联络信号通知CPU。 5. 中断管理功能 n发送中断请求和接收中断响应 n发送中断类型号 n优先级管理功能 6. 复位功能 n能接收复位信号，使接口本身及所连外设重新启动 。7. 可编程功能 可以用软件使其工作

5、于不同的方式 用软件来设置控制信号 8. 错误检测功能 当前多数可编程接口芯片能检测下列两类错误： 传输错误：接口与设备之间的连线受到各种干扰采用奇/偶校验对传输错误进行检测发现错误后对状态寄存器中的相应位置位 覆盖错误：输入时，CPU还没有从数据输入寄存器 取走数据，输入寄存器又装上了新数据。发现错误后对状态寄存器中的相应位置位。 接口芯片n接口电路的核心功能常被集成在一块或数块大规 模集成电路芯片中，称为接口芯片。q1）通用接口芯片：并行接口芯片8212、8255，串行 接口芯片8250、8251等q2）面向微机的专用接口芯片：中断控制器8259、 DMA控制器8237、定时/计数器825

6、3/8254等q3）面向外设的专用接口芯片：CRT控制器MC6845、 键盘接口芯片8279等5.4.2 接口与系统的连接 接口可分为两个部分： 和I/O设备相连 和系统总线相连 典型的典型的I/OI/O接口接口和外部连接和外部连接逻辑 电路联络信号控制信号5.5 CPU和外设之间的数据传送方 式 解决定时问题的三种传送方式：n程序方式 n中断方式 nDMA方式 5.5.1 程序方式 程序方式指在程序控制下进行信息传送。 1. 无条件传送方式 n适用于总是处于准备好状态的外设。n以下外设可采用无条件传送方式：q开关q发光器件(如发光二极管、7段数码管、灯泡等)q继电器q步进电机n优点：软件及接

7、口硬件简单n缺点：只适用于简单外设，适应范围较窄无条件传送方式工作原理：2 . 条件传送方式（查询方式） （1）条件传送的概念qCPU通过执行程序不断读取并测试外设的状态，如果外设处于准备好状态（输入设备）或空闲状态（输出设备），则CPU执行输入指令或输出指令与外设交换信息。（2）条件传送的三个环节：nCPU从接口中读取状态字nCPU检测状态字n传送数据查询式输入的接口电路 查询式输出的接口电路 举例：n假设从终端往缓冲区输入1个字符行，当遇到回 车符或者字符行超过80个字符时，输入结束，并 自动加上1个换行符。如果在输入81个字符中未 见回车符，则在终端上输出信息“BUFFER OVERFL

8、OW” 。q字符输入ASCII码，第7位用校验位（偶校验）。如果 校验出错，输出错误信息。如果没有出错，先清除校验 位，再传输到缓冲区。q假设接口数据输入端口地址为0052H，数据输出端口地 址为0054H，状态端口地址为0056H。设定如果状态寄 存器中第1位为1，则表示输入缓冲器已经有1个字节准 备好，可以进行输入；第0位为1，表示输出缓冲器已 经腾空，cpu可以输出数据。程序：DATA_SEG SEGMENTMESSAGE DB BUFFER OVERFLOW,0DH,0AH DATA_SEG ENDS COM_SEG SEGMENTBUFFER DB 82 DUP(?)COUNT DB

9、 ? COM_SEG ENDS程序：CODE SEGMNETASSUME DS:DATA_SEG,ES:COM_SEG,CS:CODE STAT: MOV AX,DATA_SEGMOV DS,AXMOV AX,COM_SEGMOV ES,AXMOV DI,OFFSET BUFFERMOV COUNT,DIMOV CX,81CLD程序：NEXT_IN: IN AL,56HTEST AL,02HJZ NEXT_ININ AL,52HOR AL,0JPE NO_ERRORJMP ERROR NO_ERROR:AND AL,7FHSTOSBCMP AL,0DHLOOPNE NEXT_INJNE OVE

10、RFLOWMOV AL,0AHSTOSBSUB DI,COUNTMOV COUNT,DI OVERFLOW:MOV SI,OFFSET MESSAGEMOV CX,17 NEXT_OUT:IN AL,56HTEST AL,01HJZ NEXT_OUTLODSB OUT 54H,AL LOOP NEXT_OUT ERROR: 2 . 条件传送方式（查询方式）n系统中有多个利用查询方式实现输入输出的设备时： 采用轮流查询的方式来检测接口的状态位例：假定一系统有3个输入设备TREE_IN:MOV FLAG,0 INPUT: IN AL,STAT1TEST AL,20HJZ DEV2CALL PROC

11、1CMP FLAG,1JNZ INPUTDEV2: IN AL,STAT2TEST AL,20HJZ DEV3CALL PROC2CMP FLAG,1JNZ INPUTDEV3: IN AL,STAT3TEST AL,20HJZ NO_INPUTCALL PROC3 NO_INPUT:CMP FLAG,1JNZ INPUT 通过标志通过标志FLAGFLAG，使三个设备优先级不同，使三个设备优先级不同2 . 条件传送方式（查询方式）循环查询法：设备处于完全相同的优先级INTREE: MOV FLAG,0 INPUT: IN AL,STAT1TEST AL,20HJZ DEV2CALL PROC1

12、 DEV2: IN AL,STAT2TEST AL,20HJZ DEV3CALL PROC2 DEV3: IN AL,STAT3TEST AL,20HJZ NO_INPUTCALL PROC3 NO_INPUT:CMP FLAG,1JNZ INPUT 2 . 条件传送方式（查询方式）n适用于外设并不总是准备好，而且对传送速率、传 送效率要求不高的场合。n对外设的要求：应提供设备状态信息n对接口的要求：需要提供状态端口n优点：软件比较简单。n缺点：CPU效率低；数据传送的实时性差；速度较慢。5.5.2 中断方式 1. 中断传送方式的原理nCPU无需循环查询外设状态，而是外部设备在需 要进行数据传

13、送时才中断CPU正在进行的工作， 让CPU来为其服务。即CPU在没有外设请求时可 以去做更重要的事情，有请求时才去传输数据， 从而大大提高了CPU的利用率。n优点：CPU效率高，实时性好，速度快。n缺点：程序编制较为复杂。中断方式输入接口电路：2.中断优先级问题的解决 n多个中断源产生中断，CPU首先为谁服务？ 中断优先级排队问题。(1) 解决中断优先级的三种办法：q软件查询方式q简单硬件方式菊花链法q专用硬件方式 (2) 三种方法的原理q软件查询方式： 利用带优先级的查询程序n n优点优点硬件电路简单；硬件电路简单；n n缺点缺点转入服务程序花费时间较长。转入服务程序花费时间较长。q简单硬件

14、方式菊花链法：在每个外设对应的 接口上连接一个逻辑电路，这些逻辑电路构成一 个菊花链。2.中断优先级问题的解决中断优先级菊花链及其逻辑电路 (a) 菊花链线路图 接口在链中的位置决定了它们的优先级接口在链中的位置决定了它们的优先级(b) 菊花链逻辑电路线路图 p专用硬件方式：可编程中断控制器典典 型型 的的 可可 编编 程程 中中 断断 控控 制制 器器2.中断优先级问题的解决 5.5.3 DMA方式 1. DMA传送方式的提出n前面三种I/O方式都需要CPU作为中介：外设 CPU 内存两个含义：1）软件：外设与内存之间的数据传送是通过CPU执行程序来 完成的（PIO方式）； 2）硬件：I/O

15、接口和存储器的读写控制信号、地址信号都是 由CPU发出的（总线由CPU控制）。n缺点：程序的执行速度限定了传送的最大速度（约 为几十KB/秒）解决：DMA传输1. DMA传送方式的提出nDMA传输:外设 内存q外设直接与存储器进行数据交换 ，CPU不再担当数 据传输的中介者；q数据的传输速度基本上取决于外设和存储器的速度；q总线由DMA控制器（DMAC）进行控制（CPU要放 弃总线控制权），内存/外设的地址和读写控制信号 均由DMAC提供。n优点：数据传输由DMA硬件来控制，数据直接在内存和外 设之间交换，可以达到很高的传输速率（可达几MB/秒）2 . DMA控制器的功能和原理 nDMA控制器

16、的功能： q 向CPU发总线请求信号q 实行对总线的控制q 修改所用的存储器或接口的地址指针q 发读写控制信号q 存放数据长度q 交还总线控制权5. 5.5.3 DMA5.3 DMA方式方式2 . DMA控制器的功能和原理nDMA的三种传输方式:q连续传送（块传送）n nDMACDMAC申请到总线后，将一块数据传送完后才释放总线。申请到总线后，将一块数据传送完后才释放总线。q单次传送（每次传送一个字节）n n每个每个DMADMA周期只传送一个字节就立即释放总线周期只传送一个字节就立即释放总线。q按需传送（猝发传送）n n只要只要I/OI/O接口的数据缓冲可用，就进行传送。接口的数据缓冲可用，就进行传送。DMA传输数据的原理DMA控制器的内部最小配置和接口要求DMA传输对接口的要求： 控制寄存器有1位指出数据传输方向 控制寄存