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1、第第5章微机与外设的章微机与外设的数据传输数据传输09本讲稿第一页，共三十二页5.1 I/O5.1 I/O接口概述接口概述5.1.1 5.1.1 使用接口电路的原因使用接口电路的原因接接口口可可起起到到CPUCPU与与不不同同外外设设进进行行串串行行、并并行行信信息息的的转换作用转换作用接口可起到模接口可起到模/数与数数与数/模的转换作用模的转换作用非非数数字字式式信信号号必必须须经经过过转转换换，使使其其成成为为对对应应的的数数字字信信号号才才能能送送到到计计算算机机总总线线。这这种种A/DA/D，D/AD/A转转换换是是通通过过接接口来完成的。口来完成的。接口对接口对I/OI/O过程起到缓
2、冲和联络作用过程起到缓冲和联络作用解决外设存取速度和解决外设存取速度和CPUCPU速度不匹配的问题速度不匹配的问题n输输入入输输出出（I/OI/O）接接口口：是是把把外外部部设设备备与与微微型型计计算算机机连连接接起来实现数据传送的控制电路。起来实现数据传送的控制电路。本讲稿第二页，共三十二页外设必须通过接口电路与微机系统总线相连接外设必须通过接口电路与微机系统总线相连接数数据据总总线线控控制制总总线线地地址址总总线线数据线数据线控制线控制线状态线状态线接口电路接口电路外外部部设设备备本讲稿第三页，共三十二页5.1.2 5.1.2 接口电路的分类接口电路的分类l 按通用性分按通用性分类类通用接
3、口：可供多种外部设备使用的标准接口，目的通用接口：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。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。通常制造成集成电路芯片，也称为接口芯片。最初的最初的IBM-PCIBM-PC使用的接口芯片：使用的接口芯片：82848284、82888288、82558255、82598259、82378237、82538253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。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，目的在于扩
4、充微机系统的功能。电路，目的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。通用接口和专用接口的界限并不严格。本讲稿第四页，共三十二页接口电路的分类接口电路的分类l按可编程性分类按可编程性分类v 简单的输入简单的输入/输出输出接口芯片接口芯片如锁存器如锁存器74LS37374LS373、单向缓冲器、单向缓冲器74LS24474LS244、双向缓冲器（数、双向缓冲器（数据收发器）据收发器）74LS24574LS245等。等。v 可编程接口芯片：其可编程接口芯片：其功能可以由软件来选用控制。功能可以由软件来选
5、用控制。如并行输入输出接口如并行输入输出接口82558255、定时器、定时器/计数器计数器82538253、中断控制器中断控制器82598259、DMADMA控制器控制器82378237等。等。本讲稿第五页，共三十二页5.1.3 5.1.3 接口电路的功能接口电路的功能l简单地说，一个接口的基本功能是在系统总线和简单地说，一个接口的基本功能是在系统总线和I/OI/O设备之间传输信号，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。接口的功能概括如下：提供缓冲作用，以满足接口两边的时序要求。接口的功能概括如下：寻址功能寻址功能输入输入/输出功能输出功能 数据转换功能数据转换功能联络功能
6、联络功能中断管理功能中断管理功能可编程功能可编程功能复位功能复位功能错误检测功能错误检测功能*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。备其中的几个功能。本讲稿第六页，共三十二页5.1.4 5.1.4 接口电路的基本结构接口电路的基本结构数据线数据线控制线控制线状态线状态线DBCBAB数据输入寄存器数据输入寄存器(or 三态门三态门)数据输出寄存器数据输出寄存器(锁存器锁存器)状态寄存器状态寄存器(or 三态门三态门)命令寄存器命令寄存器译码译码电路电路控制控制逻辑逻辑本讲稿第七页，共三十二页接口与端口接口与端
7、口l接口接口是每个外设或每种外设与微处理器相连时使用的电是每个外设或每种外设与微处理器相连时使用的电路。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独立的一组程序可访问的寄存器，这些寄存器可以具有相互独立的地址，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存器组称为输入/输出输出端口端口（I/O portI/O port）。）。lCPUCPU以访问端口的形式来访问接口。进而以访问端口的形式来访问接口。进而CPUCPU
8、通过这些端口与通过这些端口与该接口所连接的外部设备进行信息交换。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、锁存等功能的称为为传递的数据提供缓冲、锁存等功能的称为数据端口数据端口。用来保存设备和接口的状态信息，供用来保存设备和接口的状态信息，供CPUCPU查询的称为查询的称为状态端口状态端口。用来保存用来保存CPUCPU发出的命令，以控制接口与外部设备的执行动作的发出的命令，以控制接口与外部设备的执行动作的称为称为控制（或命令）端口控制（或命令）端口。本讲稿第八页，共三十二页接口与端口接口与端口l接口上可以包含唯一的端口接口上可以包含唯一的端口,也可以包含几个端口。也可以包含几个
9、端口。l对对CPUCPU程序来说，接口仅是一个笼统的概念，而接口中的各个程序来说，接口仅是一个笼统的概念，而接口中的各个端口寄存器是端口寄存器是CPUCPU程序与接口打交道的具体对象。程序与接口打交道的具体对象。l端口的地址和端口的数据是程序唯一可见的内容，而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。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。端口一般分为数据端口、状态端口和控制端口。本讲稿第九页，共三十二页 5.1.5 I/O 5.1.5 I/O端口的编址方式端口的编址方式u端口有两种编址方式：统一编址和独立
10、编址。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。完成数据的输入和输出。优点优点可使用全部对存储器操作指可使用全部对存储器操作指令，指令多，方便灵活；令，指令多，方便灵活；访问控制信号统一。访问控制信号统一。缺点缺点内存可用地址空间减小；内存可用地址空间减小；寻址地址线数多，译码复杂。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)FFFF
11、FHEFFFFHF0000H本讲稿第十页，共三十二页I/OI/O端口的编址方式端口的编址方式 l独立编址：独立编址：计算机单独给外设端口编址，外设地址空间和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内存地址空间相互独立相互独立。lPCPC系列机采用系列机采用I/OI/O端口独立编址方式端口独立编址方式优点：内存地址空间不受优点：内存地址空间不受I/OI/O编址的影响；编址的影响；I/OI/O空间较存储器空空间较存储器空间小，地址线少，译码电路简单。间小，地址线少，译码电路简单。缺点：要有专门输入输出指令；缺点：要有专门输入输出指令；I/O I/O指令功能较弱，寻址方式少，不灵指令功能
12、较弱，寻址方式少，不灵活。活。8 80 08 88 8总线A19-A0A9-A0MEMR、MEMWIOR、IOW、AEN存储器存储器输入输入/输出输出本讲稿第十一页，共三十二页5.1.6 8086 的的I/O编址编址把端口地址放在把端口地址放在DXDX寄存器中，对该端口进行读写，寄存器中，对该端口进行读写，可寻可寻址的端口号为址的端口号为0 065535(FFFFH)65535(FFFFH)IN AL,DX IN AL,DX OUT DX,AL OUT DX,AL端口地址小于或等于端口地址小于或等于FFH(255)，可以用立即数表示端口，可以用立即数表示端口地址。地址。IN AL,42HOUT
13、 43H,AL本讲稿第十二页，共三十二页5.2 CPU与输入与输入/输出设备之间的信号输出设备之间的信号l CPUCPU和和I/OI/O设备之间的信号分类设备之间的信号分类数据信息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，用状态信息：对于输入设备来说，用READYREADY信号来标明待输入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，用的数据是否准备就绪。对于输出设备来说，用BUSYBUSY信号来信号来表示输出设备是否处于空闲状态。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。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。本
14、讲稿第十三页，共三十二页5.3 CPU5.3 CPU和外设之间的数据传送方式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，这种传送操作是在接口电路控制数据信号的传送，这种传送操作是在CPU的监控的监控下实现的。对于下实现的。对于CPU而言，数据传送就是输入输出操作，控而言，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：制接口的传送操作有三种方式：l程序方式程序方式无条件传送方式无条件传送方式条件传送方式（查询方式传送）条件传送方式（查询方式传送）l中断方式中断方式lDMA方式（方式（DMA控制控制I/O方式）方式）本讲稿第十四页，共三十二页5.3.1 5.3.1 程序方式程序方
15、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。无条件传送和条件传送方式。p 无条件传送方式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。件传送方式。在无条件传送方式下，程序设计较简单。在无条件传送方式下，程序设计较简单。本讲稿第十五页，共三十二页无条件传送输入的例子：无条件传送输入的例子：MOV DX,160HINAL,DX无条件传送输出的例子：无条件传送输出的例子：
16、MOV DX,160HMOV AL,BXOUT DX,AL本讲稿第十六页，共三十二页p条件传送方式（查询方式）条件传送方式（查询方式）CPUCPU通过执行程序不断读取并测试外设的状态，根据外设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的工作状态控制外设的输入/输出，即查询方式。输出，即查询方式。在此传送方式下，一个数据传送到接口，其过程由在此传送方式下，一个数据传送到接口，其过程由3 3个环节组个环节组成：成：CPUCPU从接口中读取状态字从接口中读取状态字CPUCPU检测状态字的对应位是否满足检测状态字的对应位是否满足“就绪就绪”条件，如果不满足，则回到条件，如果
17、不满足，则回到前一步读取状态字。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如执行输入方式时状态字表明外设已处于“就绪就绪”状态，则状态，则传送数据。执行输出方式时状态字表明外设已处于传送数据。执行输出方式时状态字表明外设已处于“空闲空闲”状态，则传送数据。状态，则传送数据。本讲稿第十七页，共三十二页查询式传送输入的例子：查询式传送输入的例子：清零与读操作启动转换读状态本讲稿第十八页，共三十二页电路原理分析：电路原理分析：启动启动ADC以后，转换结束时产生以后，转换结束时产生EOC信号，把转换结果信号，把转换结果锁存至锁存器，把状态触发器置为锁存至锁存器，把状态触发器置为1，表示数据
18、已经准备，表示数据已经准备好。好。1.控制端口控制端口写写164H端口端口，译码器输出和，译码器输出和IOW信号同时信号同时有效，启动有效，启动ADC转换。转换。2.状态端口状态端口读读162H端口端口，译码器输出和，译码器输出和IOR信号同信号同时有效，打开通过时有效，打开通过D0读取状态信息。读取状态信息。3.数据端口数据端口读读160H端口端口，译码器输出和，译码器输出和IOR信号同时信号同时有效，打开三态缓冲器，从有效，打开三态缓冲器，从D7D0读入数据，同时清除状读入数据，同时清除状态信息。态信息。负脉冲本讲稿第十九页，共三十二页程序示例：从程序示例：从ADC读取一个数据到读取一个数
19、据到AL。READ ：MOV DX,160HIN AL,DX ；清状态；清状态MOV DX,164H OUT DX,AL；启动；启动ADCREAD1：MOV DX,162HIN AL,DX ；查询状态；查询状态TEST AL,1 ；同；同01H进行与运算进行与运算JZ READ1MOV DX,160HIN AL,DX ；读取数据；读取数据RET本讲稿第二十页，共三十二页查询式传送输出的例子：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本讲稿第二十一页，共三十二页电路原理说明：电路原理说明：写到写到164H端口端口，产生一个负脉冲来启动外设开始，产生一个负脉冲来启动外设开始工作。工
20、作。写数据到写数据到160H端口端口，CPU输出数据到锁存器，同输出数据到锁存器，同时置时置“1”状态触发器，为外设提供状态信息：状态触发器，为外设提供状态信息：“数据已准备好数据已准备好”。读取读取162H端口端口，CPU查询状态，看外设是否取走查询状态，看外设是否取走数据。（外设取走数据，则将发出数据。（外设取走数据，则将发出ACK信号，清信号，清除状态触发器）除状态触发器）本讲稿第二十二页，共三十二页程序示例：将程序示例：将AL中的数据输出。中的数据输出。WRITE ：MOV DX,164HOUT DX,AL ；启动外设；启动外设MOV DX,160HOUT DX,AL；输出数据；输出数
21、据MOV DX,162HWRITE1:IN AL,DX；查询状态；查询状态TEST AL,1JNZ WRITE1RET本讲稿第二十三页，共三十二页查询方式特点查询方式特点l通过查询实现通过查询实现CPUCPU与外设间的同步联络与外设间的同步联络lCPUCPU和外设串行工作和外设串行工作l接口电路简单接口电路简单lCPUCPU使用率不高，用使用率不高，用CPUCPU的等待实现与外设的同步的等待实现与外设的同步本讲稿第二十四页，共三十二页5.3.2 5.3.2 中断方式中断方式l中断方式：当外设做好传送准备后，主动向中断方式：当外设做好传送准备后，主动向CPUCPU请求中请求中断，断，CPUCPU
22、响应中断后在中断处理程序中与外设交换数据。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，若外设未准备好，CPUCPU可以执行其他程序，提高了可以执行其他程序，提高了CPUCPU的利用率。的利用率。每条指令完成后，每条指令完成后，CPUCPU均可响应中断，因此当设备准备好时，可及时与均可响应中断，因此当设备准备好时，可及时与CPUCPU交换数据，提高了实时性。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。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中断传送方式就是外部设备中断CPUCPU的工作，使的工作，使CPUCPU停止执行当前
23、程停止执行当前程序，而去执行一个数据输入序，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，程序或中断服务子程序）。中断子程序执行完毕后，CPUCPU又返回来又返回来执行原来的程序。执行原来的程序。本讲稿第二十五页，共三十二页中断中断I/OI/O的一般过程的一般过程c.数据传送数据传送b.中断响应中断响应a.中断请求中断请求CPU接口接口外外设设本讲稿第二十六页，共三十二页80868086的中断过程的中断过程接口部件发中断请求信号接口部件发中断请求信号IRQIRQ当前指令执行完后，当前指令执行完后，CPUCPU
24、进行中断回答进行中断回答INTAINTA接口部件将中断类型号接口部件将中断类型号n n送到送到CPUCPUCPUCPU将将FLAGSFLAGS，CSCS，IPIP推入堆栈推入堆栈CPUCPU清除清除TFTF，IFIFCPUCPU将将n n乘乘4 4，到中断向量表中查找中断服务程序的入口，到中断向量表中查找中断服务程序的入口地址，并将该地址放入地址，并将该地址放入CSCS，IPIPCPUCPU进入中断服务子程序，进行保护现场的工作进入中断服务子程序，进行保护现场的工作开中断，允许更高一级中断打断当前的服务程序开中断，允许更高一级中断打断当前的服务程序执行执行IRETIRET指令使指令使IPIP、
25、CSCS、FLAGSFLAGS出栈出栈恢复原来的程序执行恢复原来的程序执行本讲稿第二十七页，共三十二页5.3.35.3.3 DMA DMA方式（方式（DMADMA控制控制I/OI/O方式）方式）lDMADMA：Direct Memory AccessDirect Memory Access直接存储器访问直接存储器访问lDMADMA方式是一种由专门的硬件电路执行方式是一种由专门的硬件电路执行I/OI/O的数据传送方式，的数据传送方式，它可以让外设与外设之间、外设与内存之间直接进行高速它可以让外设与外设之间、外设与内存之间直接进行高速的数据传送，而不必经过的数据传送，而不必经过CPUCPU。这种专
26、门的硬件电路称为。这种专门的硬件电路称为DMADMA控制器，简称控制器，简称DMACDMAC。本讲稿第二十八页，共三十二页原理示意图原理示意图外设接口存储器CPUINOUTMOV BX,ALMOV AL,BX输出输入读写请求与应答DMAC本讲稿第二十九页，共三十二页DMACDMAC的功能的功能接收外设向接收外设向DMACDMAC发出的发出的DMADMA申请申请DREQDREQ向向CPUCPU提出提出DMADMA申请申请HOLDREQHOLDREQ接收接收CPUCPU回发的总线控制权响应信号回发的总线控制权响应信号HOLDAHOLDA，接管系统总线。，接管系统总线。内部具有地址寄存器，在内部具有
27、地址寄存器，在DMADMA传输时将地址寄存器的内容送到系统地址总传输时将地址寄存器的内容送到系统地址总线上，并在一次传送后变更地址。线上，并在一次传送后变更地址。内部具有字节计数寄存器，控制内部具有字节计数寄存器，控制DMADMA传送的字符个数，每传送一个字符传送的字符个数，每传送一个字符后字节计数寄存器减后字节计数寄存器减1 1，减到，减到0 0时发出传送完毕信号。时发出传送完毕信号。内部具有读写控制机构，在内部具有读写控制机构，在DMADMA传送时，向存储器发出传送时，向存储器发出MEMRMEMR、MEMWMEMW控制控制信号，向信号，向I/OI/O端口发出端口发出IORIOR、IOWIO
28、W信号。信号。在在DMADMA一次传送完成后能撤消一次传送完成后能撤消HOLDREQHOLDREQ信号，使信号，使CPUCPU能重新掌握系统总线控能重新掌握系统总线控制权，继续系统的工作。制权，继续系统的工作。本讲稿第三十页，共三十二页DMA传送的原理传送的原理l从接口向内存传输一个数据块从接口向内存传输一个数据块1.接口向接口向DMA控制器发一个控制器发一个DMA请求请求2.DMA发总线请求，得到总线响应信号，得到总线控制权发总线请求，得到总线响应信号，得到总线控制权3.DMA控制器中地址寄存器的内容送地址总线控制器中地址寄存器的内容送地址总线4.DMA向接口发响应向接口发响应DMA传输的信
29、号，通知接口将数据送到数传输的信号，通知接口将数据送到数据总线据总线5.数据送到地址总线所指出的内存单元数据送到地址总线所指出的内存单元6.地址寄存器的值加地址寄存器的值加17.字节计数器的值减字节计数器的值减18.如字节计数器的值不为如字节计数器的值不为0，则回到，则回到1，否则结束，否则结束本讲稿第三十一页，共三十二页小结：三种传送方式比较小结：三种传送方式比较在查询方式下，通过程序来检测接口中状态寄存器中的状态位，以在查询方式下，通过程序来检测接口中状态寄存器中的状态位，以确定当前是否可以进行数据传输。确定当前是否可以进行数据传输。速度较慢速度较慢。在中断方式下，当接口中已经有数据要往在
30、中断方式下，当接口中已经有数据要往CPUCPU输入或准备好接收数输入或准备好接收数据时，接口会向据时，接口会向CPUCPU发一个中断请求，发一个中断请求，CPUCPU在接到中断请求后，如果在接到中断请求后，如果响应中断，便通过运行中断服务程序来实现输入响应中断，便通过运行中断服务程序来实现输入/输出。输出。较快较快。在在DMADMA方式下，外设要求传输数据时，接口会向方式下，外设要求传输数据时，接口会向DMADMA控制器发控制器发DMADMA请请求信号，求信号，DMADMA控制器转而往控制器转而往CPUCPU发送一个总线请求信号，以请求得到发送一个总线请求信号，以请求得到总线控制权，如果得到总线控制权，如果得到DMADMA允许，就可以在没有允许，就可以在没有CPUCPU参与的情况下实参与的情况下实现现DMADMA传输。传输。速度快速度快。本讲稿第三十二页，共三十二页