微机原理与接口第7章CPU与外设之间数据传送的方式.ppt

1,教学内容,本章介绍输入输出接口的基本概念，CPU与外设间的数据传送方式，中断传送方式及相关技术，以及可编程中断控制器8259A的结构及编程方法。具体内容如下： 1、I/O接口概述 2、CPU与外设之间数据传送的方式 3、中断技术 4、8086/8088中断系统 5、可编程中断控制器Intel 8259A,2,学习要求,1. 了解I/O接口电路的主要功能、内部和外部特点、端口编址方法、I/O地址译码特点 2. 掌握输入输出指令 3. 掌握无条件、查询传送方式 4. 理解中断、中断源、中断工作过程、中断源识别、优先权排队和中断嵌套 5. 理解DMA传送的工作过程,3,第7章 输入/输出与中断,7.1 I/O接口概述 7.2 CPU与外设之间数据传送的方式 7.3 中断技术 7.4 8086/8088 中断系统 7.5 可编程中断控制器Intel 8259A,4,第7章：7.1 I/O接口概述,为什么需要I/O接口（电路）？ 微机的外部设备多种多样 工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差别很大 它们不能与CPU直接相连 必须经过中间电路再与系统相连 这部分电路被称为I/O接口电路,多种外设,5,第7章：7.1 I/O接口概述（续1）,什么是I/O接口（电路）？ I/O接口是位于系统与外设间、用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路 PC机系统板的可编程接口芯片、I/O总线槽的电路板（适配器）都是接口电路,6,第7章：7.1 I/O接口概述（续2）,什么是微机接口技术？ 处理微机系统与外设间联系的技术 注意其软硬结合的特点 根据应用系统的需要，使用和构造相应的接口电路，编制配套的接口程序，支持和连接有关的设备,7,第7章：7.1.1 I/O接口的主要功能, 对输入输出数据进行缓冲和锁存 输出接口有锁存环节；输入接口有缓冲环节 实际的电路常见： 输出锁存缓冲环节、输入锁存缓冲环节 对信号的形式和数据的格式进行变换 微机直接处理：数字量、开关量、脉冲量 对I/O端口进行寻址 与CPU和I/O设备进行联络,8,7.1.2 CPU与外设交换的信息 主机与I/O设备之间交换的信息可分为数据信息、状态信息和控制信息三类。 1数据信息 数据信息又分为数字量、模拟量和开关量三种形式。 1) 数字量 数字量是计算机可以直接发送、接收和处理的数据。例如，由键盘、显示器、打印机及磁盘等I/O外设与 CPU交换的信息，它们是以二进制形式表示的数或以ASCII码表示的数符。,9,2) 模拟量 当计算机应用于控制系统中时，输入的信息一般为来自现场的连续变化的物理量，如温度、压力、流量、位移、湿度等，这些物理量通过传感器并经放大处理得到模拟电压或电流，这些模拟量必须先经过模拟量向数字量的转换(A/D转换)后才能输入计算机。反过来，计算机输出的控制信号都是数字量，也必须先经过数字量向模拟量的转换(D/A转换)，把数字量转换成模拟量才能去控制现场。 3) 开关量 开关量可表示两个状态，如开关的断开和闭合，机器的运转与停止，阀门的打开与关闭等。 这些开关量通常要经过相应的电平转换才能与计算机连接。开关量只要用一位二进制数即可表示。,10,2. 状态信息 状态信息作为CPU与外设之间交换数据时的联络信息，反映了当前外设所处的工作状态，是外设通过接口送往CPU的。 CPU通过对外设状态信号的读取，可得知输入设备的数据是否准备好、输出设备是否空闲等情况。 对于输入设备，一般用准备好(READY)信号的高低来表明待输入的数据是否准备就绪； 对于输出设备，则用忙(BUSY)信号的高低表示输出设备是否处于空闲状态，如为空闲状态，则可接收CPU输出的信息，否则CPU要暂停送数。,11,3控制信息 控制信息是CPU通过接口传送给外设的，CPU通过发送控制信息设置外设(包括接口)的工作模式、控制外设的工作。 如外设的启动信号和停止信号就是常见的控制信息。实际上，控制信息往往随着外设的具体工作原理不同而含义不同。 虽然数据信息、状态信息和控制信息含义各不相同，但在微型计算机系统中，CPU通过接口和外设交换信息时，只能用输入指令(IN)和输出指令 (OUT)传送数据，所以状态信息、控制信息也是被作为数据信息来传送的，即把状态信息作为一种输入数据，而把控制信息作为一种输出数据，这样，状态信息和控制信息也通过数据总线来传送。但在接口中，这三种信息是在不同的寄存器中分别存放的。,12,7.1.3 I/O接口的基本结构 I/O接口的基本结构如图7.2所示。每个接口电路中都包含一组寄存器，CPU与外设进行信息交换时，各类信息在接口中存入不同的寄存器，一般称这些寄存器为I/O端口，简称为口(Port)。 用来保存CPU和外设之间传送的数据(如数字、字符及某种特定的编码等)、对输入/输出数据起缓冲作用的数据寄存器称为数据端口； 用来存放外设或者接口部件本身状态的状态寄存器称为状态端口；用来存放CPU发往外设的控制命令的控制寄存器称为控制端口。,13,图7.2 一个典型的I/O接口,14,正如每个存储单元都有一个物理地址一样，每个端口也有一个地址与之相对应，该地址称为端口地址。有了端口地址，CPU对外设的输入/输出操作实际上就是对I/O接口中各端口的读/写操作。数据端口一般是双向的，数据是输入还是输出，取决于对该端口地址进行操作时CPU发往接口电路的读/写控制信号。由于状态端口只做输入操作，控制端口只做输出操作，因此，有时为了节省系统地址空间，在设计接口时往往将这两个端口共用一个端口地址，再用读/写信号来分别选择访问。 注意点:输入/输出操作所用到的地址总是对端口而言，而不是对接口而言的。接口和端口是两个不同的概念，若干个端口加上相应的控制电路才构成接口。,15,7.1.4 I/O端口的编址 微型计算机系统中I/O端口编址方式有两种：I/O端口与内存单元统一编址和 I/O端口与内存单元独立编址。 1I/O端口与内存单元统一编址 这种编址方式是对I/O端口和存储单元按照存储单元的编址方法统一编排地址号，由I/O端口地址和存储单元地址共同构成一个统一的地址空间。例如，对于一个有16根地址线的微机系统，若采用统一编址方式，其地址空间的结构如图7.3所示。,16,图7.3 I/O端口与内存单元统一编址,优点： 不需要专门的I/O指令 I/O数据存取与存储器数据存取一样灵活 缺点： I/O端口要占去部分存储器地址空间 程序不易阅读（不易分清访存和访问外设）,17,2I/O端口与内存单元独立编址 在这种编址方式中，建立了两个地址空间，一个为内存地址空间，一个为I/O地址空间。内存地址空间和I/O地址空间是相对独立的，通过控制总线来确定CPU到底要访问内存还是I/O端口。为确保控制总线发出正确的信号，除了要有访问内存的指令之外，系统还要提供用于CPU与I/O端口之间进行数据传输的输入/输出指令。,18,19,图7.4 I/O端口与内存单元独立编址,优点： I/O端口的地址空间独立 控制和地址译码电路相对简单 专门的I/O指令使程序清晰易读 缺点： I/O指令没有存储器指令丰富,80x86采用I/O端口独立编址,20,3I/O端口的地址译码 IN AL, 21H OUT 43H, AL 微机系统常用的I/O接口电路一般都被设计成通用的I/O接口芯片，一个接口芯片内部可以有若干可寻址的端口。因此，所有接口芯片都有片选信号线和用于片内端口寻址的地址线。例如，某接口芯片内有四个端口地址(8255)，则该芯片外就会有两根地址线。本书第8章中将详细介绍几种常用的I/O接口芯片。 I/O端口地址译码的方法有多种，一般的原则是把CPU用于I/O端口寻址的地址线分为高位地址线和低位地址线两部分， 将低位地址线直接连到I/O接口芯片的相应地址引脚，实现片内寻址，即选中片内的端口； 将高位地址线与CPU的控制信号组合，经地址译码电路产生I/O接口芯片的片选信号。,21,7.2 CPU与外设之间数据传送的方式,7.2.1 程序传送方式 1无条件传送方式 无条件传送流程 微机系统中的一些简单的外设，如开关、继电器、数码管、发光二极管等，在它们工作时，可以认为输入设备已随时准备好向CPU提供数据，而输出设备也随时准备好接收CPU送来的数据，这样，在CPU需要同外设交换信息时，就能够用IN或OUT指令直接对这些外设进行输入/输出操作。由于在这种方式下CPU对外设进行输入/输出操作时无需考虑外设的状态，故称之为无条件传送方式。,22,对于简单外设，若采用无条件传送方式，其接口电路也很简单。如简单外设作为输入设备时，可直接使用三态缓冲器和数据总线相连，如图7.5(a)所示。要求CPU在执行输入指令时，外设的数据是准备好的，即数据已经存入三态缓冲器中。 简单外设为输出设备时，由于外设取数的速度比较慢，要求CPU送出的数据在接口电路的输出端保持一段时间，因而一般都需要锁存器，如图7.5(b)所示。CPU输出的信息经过数据总线送入输出锁存器中，输出锁存器保持这个数据，直到外设取走。 无条件传送方式下，程序设计和接口电路都很简单，但是为了保证每一次数据传送时外设都能处于就绪状态，传送不能太频繁。对少量的数据传送来说，无条件传送方式是最经济实用的一种传送方法。,23,图7.5 无条件传送方式 (a) 无条件传送数据输入；(b) 无条件传送数据输出,24,2查询传送方式 查询传送流程 查询传送也称为条件传送，是指在执行输入指令(IN)或输出指令(OUT)前，要先查询相应设备的状态，当输入设备处于准备好状态，输出设备处于空闲状态时，CPU才执行输入/输出指令与外设交换信息。接口电路中既要有数据端口，还要有状态端口。 查询传送方式的流程图见图7.6。采用查询方式完成一次数据传送要经历如下过程： (1) CPU从接口中读取状态字。 (2) CPU检测相应的状态位是否满足“就绪”条件。 (3) 如果不满足，则重复(1)、(2)步；若外设已处于“就绪”状态，则传送数据。,25,图7.6 查询传送方式的流程图,26,图7.7给出的是采用查询传送方式进行输入操作的接口电路。输入设备在数据准备好之后向接口发选通信号，此信号有两个作用： 一方面将外设中的数据送到接口的锁存器中； 另一方面使接口中的一个D触发器输出“1”，从而使三态缓冲器的READY位置“1”。 CPU输入数据前先用输入指令读取状态字，测试READY位，若READY位为“1”，说明数据已准备就绪，再执行输入指令读入数据。由于在读入数据时信号已将状态位READY清0，于是可以开始下一个数据输入过程。,27,图7.7 查询式输入的接口电路,28,29,图7.8 查询式输出的接口电路,30,查询传送方式的主要优点是能保证主机与外设之间协调同步地工作，且硬件线路比较简单，程序也容易实现。 在这种方式下，CPU花费了很多时间查询外设是否准备就绪，在这些时间里CPU不能进行其他的操作,浪费CPU时间； 在实时控制系统中，若采用查询传送方式，由于一个外设的输入/输出操作未处理完毕就不能处理下一个外设的输入/输出，故不能达到实时处理的要求，实时性差。 查询传送方式适用于数据输入/输出不太频繁且外设较少、对实时性要求不高的情况。 不论是无条件传送方式还是查询传送方式，都不能发现和处理预先无法估计的错误和异常情况。为了提高CPU的效率、增强系统的实时性，并且能对随机出现的各种异常情况做出及时反应，通常采用中断传送方式。,31,7.2.2 中断传送方式 中断传送流程 中断传送方式是指当外设需要与CPU进行信息交换时，由外设向CPU发出请求信号，使CPU暂停正在执行的程序，转去执行数据的输入/输出操作，数据传送结束后，CPU再继续执行被暂停的程序。 查询传送方式是由CPU来查询外设的状态，CPU处于主动地位，而外设处于被动地位。 中断传送方式则是由外设主动向CPU发出请求，等候CPU处理，在没有发出请求时，CPU和外设都可以独立进行各自的工作。目前的微处理器都具有中断功能，而且已经不仅仅局限于数据的输入/输出，而是在更多的方面有重要的应用。例如实时控制、故障处理以及BIOS和DOS功能调用等。,32,中断传送方式的优点是： CPU不必查询等待，工作效率高，CPU与外设可以并行工作；由于外设具有申请中断的主动权，故系统实时性比查询方式要好得多。 缺点：采用中断传送方式的接口电路相对复杂，而且每进行一次数据传送就要中断一次CPU，CPU每次响应中断后，都要转去执行中断处理程序，且都要进行断点和现场的保护和恢复，浪费了很多CPU的时间。 故中断传送方式一般适合于少量的数据传送。 对于大批量数据的输入/输出，可采用高速的直接存储器存取方式，即DMA方式。,33,7.2.3 直接存储器存取(DMA)传送方式 1DMA传送方式简介 场合： DMA传送方式是在存储器和外设之间、存储器和存储器之间直接进行数据传送(如磁盘与内存间交换数据、高速数据采集、内存和内存间的高速数据块传送等)。 特点：传送过程无需CPU介入，在传送时就不必进行保护现场等一系列额外操作，传输速度基本取决于存储器和外设的速度。要求：DMA传送方式需要一个专用接口芯片DMA控制器(DMAC)对传送过程加以控制和管理。 过程：在进行DMA传送期间，CPU放弃总线控制权，将系统总线交由DMAC控制，由DMAC发出地址及读/写信号来实现高速数据传输。传送结束后DMAC再将总线控制权交还给CPU。一般微处理器都设有用于DMA传送的联络线。,34,图7.9 DMA系统结构框图,35,2DMA控制器的工作方式 1) 单字节传输方式 在该方式下，DMAC每次控制总线后只传输一个字节，传输完后即释放总线控制权。 2) 成组传输方式(块传输方式) 采用这种方式，DMAC每次控制总线后都连续传送一组数据，待所有数据全部传送完后再释放总线控制权。 成组传输方式的数据传输率要比单字节传输方式高。但是，成组传输期间CPU无法进行任何需要使用系统总线的操作。 3) 请求传输方式 在该方式下，每传输完一个字节，DMAC都要检测I/O接口发来的DMA请求信号是否有效。若有效，则继续进行DMA传输；否则就暂停传输，将总线控制权交还给CPU，直至DMA请求信号再次变为有效，再从刚才暂停的那一点继续传输。,36,3DMA操作的基本过程 DMA传送流程 1)DMAC的初始化 (1) 指定数据的传送方向。指定外设对存储器是做读操作还是写操作，这就要对控制/状态寄存器中的相应控制位置数。 (2) 指定地址寄存器的初值。即给出存储器中用于DMA传送的数据区的首地址。 (3) 指定计数器的初值。即明确有多少数据需要传送。,37,2) DMA数据传送，按以下步骤进行(以数据输入为例) (1) 外围设备发选通脉冲，把输入数据送入缓冲寄存器，并使DMA请求触发器置1。 (2) DMA请求触发器向控制/状态端口发准备就绪信号，同时向DMA控制器发DMA请求信号。 (3) DMA控制器向CPU发出总线请求信号(HOLD)。 (4) CPU在完成了现行机器周期后，即响应DMA请求，发出总线允许信号(HLDA)，并由DMA控制器发出DMA响应信号。此时，由DMA控制器接管系统总线。 (5) DMA控制器发出存储器地址，并在数据总线上给出数据，随后在读/写控制信号线上发出写的命令。 (6) 来自外设的数据被写入相应存储单元。 (7) 每传送一个字节，DMA控制器的地址寄存器加1，从而得到下一个地址，字节计数器减1。返回(5)，传送下一个数据。如此循环，直到计数器的值为0，数