第五章 I_O接口技术.ppt

计算机硬件技术基础 主讲 焦明海东北大学计算中心 第五章I O接口 5 1接口概念 5 2CPU与I O设备之间的接口信息 5 3CPU与外设之间的数据传送方式 5 1接口概念 输入 输出 I O 接口是主机与I O设备之间所设置的逻辑控制部件 通过它实现主机与I O设备之间的信息交换 接口电路有两类 辅助接口电路 接收时钟 中断请求信号输入 输出接口电路 连接外部设备 思考问题 微型计算机和外设之间为什么需要接口 5 1接口概念 一般情况下 存储器可以与总线直接相连 而外部设备却需要通过接口与CPU的总线相连 原因是由存储器和外设的特点决定 存储器 功能单一传输方式单一 一次一个字或一个字节 操作方式单一 读和写 制造工艺与CPU相似 速度与CPU相匹配 接口 解决以上差异 协调 匹配外设与主机正常工作的逻辑部件及相应控制软件 5 1接口概念 外设 种类繁多 输入 输出 输入 输出 检测 控制 信号种类不一 A D 开关量 信号带宽不同 串行 并行 同一个时刻CPU通常只和一个外设交换信息工作速度不同 5 1接口概念 CPU寻址外设的两种方式 1 存储器映射方式将I O端口和存储器单元同等看待 统一编址 即一个端口占用一个存储单元地址 可以使用访问内存的指令访问端口 优点 可以使用的访问指令类型多 使用方便 另外 端口的地址空间较大 缺点 占用内存空间 访问速度慢 2 隔离I O方式将I O端口和存储器做不同处理 分开编址 即CPU在寻址内存和外设时 使用不同的控制信号加以区分 CPU为端口提供了与内存访问空间完全独立的I O地址空间 使用专用指令IN和OUT访问端口 优点 执行速度快 不占用内存空间 缺点 地址范围小 5 1接口概念 5 2CPU和I O设备之间的接口信息 1 数据信息数字量信息 离散的二进制形式数据 最小单位为 位 b 8位为一个字节 B 模拟量信息 用模拟电压或模拟电流幅值大小表示的物理量 开关量 只有两个状态 开 和 关 用一位二进制数即可表示 2 状态信息反映当前外设所处的工作状态 实际中通过状态端口信息表现 3 控制信息由CPU发出的用来控制外设工作的信号 例如 控制输入 输出装置的启动或停止问题提出 数据信息 状态信息 控制信息是不同性质的信息 被分别传送 如何实现 5 2CPU和I O设备之间的接口信息 问题解决 数据信息 状态信息 控制信息使用不同的端口地址 问题结论 都通过数据总线传送 但放在接口的不同寄存器 I O端口 中 其中 输入输出的数据信息放在数据缓冲器输入的状态信息放在状态寄存器输出的控制信息放在控制寄存器 5 2CPU和I O设备之间的接口信息 5 2CPU和I O设备之间的接口信息 外部输入或输出设备 CPU DB AB CB 外设通过接口与CPU之间的连接 数据 控制 状态 AB CB DB 访问接口的过程描述 CPU先将地址信息发送到地址总线 将确定的控制信息发送到控制总线 打开相应端口 CPU传输数据信息到数据总线上等待相应端口接收 或者CPU等待接口把指定端口的内容送到数据总线上 收发数据 注意 地址是端口 寄存器 的地址 而不是接口部件的地址 一个接口部件包含多个端口 即多个地址 5 2CPU和I O设备之间的接口信息 几点说明 I O端口即I O接口的寄存器 接口中的每个寄存器都有一个端口地址 每个I O接口都有一组寄存器 CPU与外设的信息交流就是CPU与接口寄存器 端口 的交流 数据输入和数据输出寄存器可以使用同一地址 控制输出和状态输入寄存器可以使用同一地址 5 2CPU和I O设备之间的接口信息 5 3CPU和外设之间的数据传送方式 5 3 1无条件传送方式 5 3 2查询传送方式 5 3 3中断传送方式 5 3 4直接存储器存取 DMA 控制方式 定义 在数据传送过程中 输入或输出数据一方不查询 判断对方的状态 进行无条件的数据传送 CPU能够确信外设准备就绪 就不用查询外设的状态而可以直接进行数据传输 例如 CPU要输出一个数据到显示器显示 由于显示器是可以根据输入数据而随时改变显示内容的设备 因而CPU就可以直接向其发送数据 而无需查询 5 3 1无条件传送方式 5 3 1无条件传送方式 三态缓冲器 输入设备 地址译码器 数据 来自外设 数据总线 地址总线 IO M RD CPU 无条件传送的输入方式 5 3 1无条件传送方式 锁存器 输出设备 地址译码器 数据 到外设 数据总线 地址总线 IO M WR CPU CE 无条件传送的输出方式 定义 CPU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 输入 或空闲 输出 状态 则执行输入或输出指令 进行数据交换 否则等待 5 3 2查询传送方式 完成一次数据传送的过程 1 CPU从状态端口读取外设的状态字 2 CPU检测状态字对应位是否满足 就绪 条件 3 如不满足 则重复执行1 2 过程 直到条件满足 4 如果条件满足 表明外设就绪 则传送数据 同时I O的状态复位 5 3 2查询传送方式 两种查询传送方式 1 查询式输入2 查询式输出 5 3 2查询传送方式 查询式输入方式描述查询式输入是程序控制下的查询式输入方式 在传送前 CPU必须去查询一下外设的状态 当外设准备好了才传送 若未准备好 CPU则等待 锁存器 锁存器 三态缓冲器 8位 输入设备 地址译码器 数据 选通信号 DB AB IO M RD CPU 三态缓冲器 1位 准备就绪触发器 D Q R 5V Di READY 状态信息 查询式输入接口电路 三态缓冲器 8位 三态缓冲器 1位 三态缓冲器 8位 三态缓冲器 8位 锁存器 锁存器 输入设备 地址译码器 数据 选通信号 DB AB IO M RD CPU 三态缓冲器 1位 准备就绪触发器 D Q R 5V Di READY 状态信息 查询式输入接口电路 1 输入设备准备好后 发选通信号 2 数据进入锁存器锁存 并使D触发器置1 从而使三态缓冲器输出状态信号 3 CPU从状态端口读入状态字 4 CPU检测状态位 如果条件满足 5 CPU从数据端口读入数据 6 清状态字 查询式输入的过程 8位 数据端口 8位 输入 D7 状态端口 1位 输入 查询式输入时的数据和状态信息 READY 1位 数据信息 状态信息 LOOP1 INAL STATUS PORT 读入状态值TESTAL 80H READY 1 JZLOOP1 未准备好 循环INAL DATA PORT 是 输入数据 查询式输入的查询程序 讨论 分析查询程序 熟悉汇编语言在接口电路中的应用 输出设备 地址译码器 数据 选通信号 DB AB IO M RD CPU 状态缓冲器 1位 忙触发器 D Q R 5V 查询式输出接口电路 WR ACK BUSY 状态忙置1 1 通过IO M WR信号将数据写入锁存器 并同时将状态触发器置1 进而使状态位BUSY置1 防止CPU再次传送数据 2 外设读取数据 3 外设向接口发ACK信号 将状态位BUSY清零 查询式输出的过程 8位 数据端口 8位 输出 D7 状态端口 1位 输出 查询式输出时的数据和状态信息 READY 1位 数据信息 状态信息 LOOP2 INAL STATUS PORT 读状态信息TESTAL 80H 检查BUSY位JNZLOOP2 BUSY 0 MOVAL STORE 为零 取数据OUTDATA PORT AL 数据端口输出 查询式输出的查询程序 问题 结合汇编语言 分析程序是如何实现查询输出功能的 工作原理 当外设准备好数据或可以接收数据时 就通过接口向CPU发出中断请求信号 CPU在执行完当前的一条指令后 检测是否有中断信号 如果有中断信号 则CPU转向执行中断服务程序 执行完毕后CPU返回原来的程序继续执行 5 3 3中断方式 三态缓冲器 输入设备 地址译码器 1 数据 RDY DB AB IO M RD CPU 中断请求触发器 数据锁存器 5V 中断传送方式输入接口电路 Q D INT 状态信号 数据锁存器 三态缓冲器 1 5 3 3中断方式 1 输入设备准备就绪 发出就绪状态信号 数据暂存在锁存器中 同时中断请求触发器置 1 向CPU发出中断请求信号 2 CPU响应中断 执行中断服务程序 从数据端口输入数据 同时将中断请求触发器置 0 撤销中断请求 3 CPU返回被中断的程序 中断传送方式的过程 DMA传送方式的提出 5 3 4直接存储器存取 DMA 控制方式 DMA DirectMemoryAccess 直接存储器存取控制方式下 I O设备是和存储器直接交换信息 不需要CPU介入 外设与存储器间的数据传输是在硬件的作用下完成的 优点 传输速度大幅提高 DMA方式下 外设利用专门的接口电路直接和存贮器进行高速数据传送 而不经过CPU 数据的传输速度基本上决定于外设和存储器的速度 5 3 4直接存储器存取 DMA 控制方式 使用直接存储器传送方式 DMA 实现数据块操作 DMA控制器具有以下功能 向CPU发出HOLD信号 当CPU发出HLDA信号后 接管对总线的控制 进入DMA方式 发出地址信息 能对存储器寻址 能修改地址指针 能发出读或写等控制信号 能决定传送的字节数 判断DMA传送是否结束 发出DMA结束信号 使CPU恢复正常工作状态 5 3 4直接存储器存取 DMA 控制方式 5 3 4直接存储器存取 DMA 控制方式 CPU 存储器 数据缓冲寄存器 DMA请求寄存器 输入设备 HOLD HLDA DMA响应 DMA请求 Ready DMA方式数据传输的步骤 DMA启动DMA请求DMA响应DMA操作DMA撤消 5 3 4直接存储器存取 DMA 控制方式 DMA启动 向DMA控制器的地址寄存器中送入设备号并启动设备 将主存中数据区首地址送入DMA控制器的地址寄存器中 将辅存数据缓冲区首地址送入DMA控制器的设备地址寄存器中 将要传送的数据字节数或字数送入数据计数器中 DMA请求DMA控制器收到上述控制命令后 向外设接口提出传送数据请求 外设接口准备好了接收或发送数据时 就会给出DMA请求信号 DAM控制器向CPU提出总线请求信号 5 3 4直接存储器存取 DMA 控制方式 DMA响应CPU完成一个机器周期的操作后 就响应DMA总线请求 首先让出总线控制权 即将CPU内部的总线缓冲器及输入输出控制信号线置成高阻状态 以便将总线使用权让给DMA控制器 并向DMA控制器发出总线响应信号 5 3 4直接存储器存取 DMA 控制方式 DMA操作DMA控制器收到总线响应信号后 向外设发出DMA应答信号 并成为总线上的主设备 控制外设与主存之间的数据块传送操作 每传送一个字节或一个字 DMA控制器中的主存地址计数器内容加1 而数据计数器内容减1 直到该计数器其值为0为止 DMA撤消总线请求撤消后 CPU恢复了对总线的控制权 以便进行数据传送后的处理 5 3 4直接存储器存取 DMA 控制方式 DMA操作过程 对DMA初始化 让出总线控制权 收回总线控制权 外设准备好 启动 CPU DMA DMA请求 DMA方式从接口往内存中传送一个数据块的操作 接口往DMA控制器发出一个DMA请求DMA控制器发出总线请求 得到CPU送来的DMA允许信号 从而得到总线的控制权 DMA控制器地址寄存器的内容发到地址总线上DMA控制器往接口发一个确认DMA传输的信号 以便通知接口将数据送到数据总线数据总线送到地址总线所指出的内存单元地址寄存器加1字节计数器减1如果字节计数器不为0 则回到第1步 否则结束 5 3 4直接存储器存取 DMA 控制方式 DMA控制器的组成 DMA控制器的组成 内存地址计数器 存放主存中要交换的数据的地址 在DMA传送前 CPU通过指令将数据在主存中的起始地址送入该寄存器 在DMA传送时 每交换一次数据 该寄存器内容加1 DMA控制器的组成 数据字计数器 记录传送数据块的字数或字节数 在DMA传送前 由程序将其内容预置为要传送的数据块的字数或字节数 在DMA传送期间 每交换一次数据 该寄存器内容减1 当该寄存器内容减至0时 标明数据块传送完毕 DMAC向CPU发出中断请求信号 DMA控制器的组成 数据缓冲寄存器 暂存每次传送的数据 数据从外设向主存传送时 由外设将数据先存入该缓冲器 再由该缓冲器通过数据总线将数据送入主存 数据