B10第5章数据传输.ppt

1 第5章微型计算机和外设的数据传输 5 1为什么要用接口电路5 2CPU和I O设备之间的信号5 3接口部件的I O端口5 4CPU和外设之间的数据传送方式 2 5 1为什么要用接口电路 各外设使用不同的操作方法不用接口 降低CPU的效率不用接口 外设结构依赖CPU 不利于外设的发展CPU和外设信号传输处理的速度不匹配CPU和外设的信息类型和格式不同 I O接口电路是位于主机系统与外设间 用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路 3 I O接口的主要功能 地址译码功能信息传送控制功能信息缓冲 锁存及驱动功能信息变换功能 类型 格式及电平变换 4 输出接口的锁存 5 输出接口的锁存 缓冲 6 输入接口的缓冲 7 输入接口的锁存 缓冲 8 5 2CPU和I O设备之间的信号 CPU与外设之间需要相互交换的信息 数据信息 数字量 模拟量 开关量状态信息 反映当前外设所处的工作状态 CPU通过接口电路掌握外设的状态 以决定是否输入 输出数据控制信息CPU送至外设的信息 用以控制外设的工作 如启动或停止I O设备等 控制信息还包括对接口工作状态的控制 9 值得注意 状态信息 控制信息 数据信息在CPU与接口间都是通过数据总线交换的 这三类信息进入接口内不同的寄存器中 数据寄存器保存外设给CPU和CPU发往外设的数据状态寄存器保存外设或接口电路的状态控制寄存器保存CPU给外设或接口电路的命令 10 I O接口的典型结构 11 接口电路的外部特性 主要体现在引脚上面向CPU的信号 用于与CPU连接主要是数据 地址和控制信号面向外设的信号 用于与外设连接提供的信号多样功能定义 时序及有效电平等差异较大 12 接口电路的可编程性 接口电路常具有多种功能和工作方式 可以通过编程的方法选定其中一种接口需要进行物理连接 还需要编写接口软件接口软件有两类 初始化程序段 设定芯片工作方式等数据交换程序段 管理 控制 驱动外设 负责外设和系统间信息交换 13 5 3接口部件的I O端口 1 I O端口 PORT 接口中能被CPU直接访问的寄存器或特定的硬件电路称为I O端口 I O端口的编码为端口地址 一个接口部件可以有多个I O端口 每个端口用来保存和交换不同的信息 数据寄存器 状态寄存器和控制寄存器常依次被称为数据端口 状态端口和控制端口 用于保存数据 状态和控制信息 输入 输出端口可以共用同一个I O端口地址 14 端口统一编址端口独立编址 2 I O端口编址方式 3 8086的输入输出指令的执行 15 输入指令 16 输出指令 17 4 I O端口地址译码 1 固定式译码电路采用门电路构成采用译码器电路构成 如74LS1382 可选式译码电路简单可选式译码电路使用比较器 地址开关方法 18 门电路译码 19 译码器电路构成 IBMPC XT主机板的I O译码电路 20 简单可选式译码电路 21 使用比较器 地址开关方法 74LS688比较器 当P0 7 Q0 7时 输出高电平 当P0 7 Q0 7时 输出低电平 22 5 4CPU和外设之间的数据传送方式 为了实现CPU与外设的数据传送 微机中通常采用4种方式 程序方式中断方式DMA方式IOP方式 CPU委托专门的I O处理机来管理外设 完成传送和相应的数据处理 23 1 程序方式 程序控制传送是由CPU执行程序来控制主机与外设间的数据交换 何时进行数据传送由编程确定 根据外设的特点 程序方式又可分为 无条件传送方式查询传送方式 24 1 无条件传送方式 无条件传送方式对固定的外设在规定的时间用I O指令来进行信息传送 不必查询外设的状态 这种方式要求当程序执行I O指令时 相应的外设必须已为传送数据做好了准备 当外设没有准备好时 传送会出错 25 1 无条件传送方式的输入接口电路 MOVDX 160HINAL DX 26 无条件传送 输入实例 MOVDX 160HINAL DX 27 2 无条件传送方式的输出接口电路 MOVDX 160HMOVAL BX OUTDX AL 28 无条件传送 输出实例 MOVDX 160HMOVAL BX OUTDX AL 29 2 查询传送方式 查询传送方式在传送数据前先查询外设的状态当外设准备好 传送数据当外设未准备好 CPU等待查询传送方式要求CPU与外设间的接口电路需要两个端口 数据信息端口状态信息端口 30 查询传送的两个环节 查询环节寻址状态口读取状态寄存器的标志位若不就绪就继续查询 直至就绪传送环节寻址数据口是输入 通过输入指令从数据端口读入数据是输出 通过输出指令向数据端口输出数据 31 1 查询传送方式下的输入接口电路 Data Status 32 例 从ADC读取一个数据到AL 33 2 查询方式下的输出接口电路 Data Status 内存Store单元的内容送输出设备 34 例 将AL中的数据输出 35 例 一个数据采集系统 36 数据采集过程的程序段 START MOVDL 0F8HMOVAX SEGDSTORMOVES AXLEADI DSTORAGAIN MOVAL DLANDAL 0EFHOUT04 ALCALLDELAYMOVAL DLOUT04 ALPOLL INAL 02 SHRAL 1JNCPOLLINAL 03STOSBINCDLJNEAGAIN 37 查询传送方式的优点 能较好地协调外设与CPU之间的定时关系 因而比无条件传送方式容易实现准确传送 查询传送方式的缺点 该方式需要不断查询外设的状态 大量时间花在等待循环中 当主机与中 低速外设交换信息时 大大降低了CPU的利用率 38 2 中断方式 中断源为外设 中断传送方式同查询方式一样 也是在程序控制下进行数据传送的 1 查询与中断的区别 39 2 一个简化的输入设备的中断接口电路 中断请求触发器 40 3 中断传送流程 41 3 DMA方式 直接存储器存取 DirectMemoryAccess 方式简称DMA方式 该方式通过硬件控制实现两种存储介质 内存 I O端口 之间直接数据传送 在传送过程中无需CPU干预 对DMA方式的数据传送过程进行控制的硬件电路称为DMA控制器 简称DMAC 它是一个特殊的接口电路 42 1 DMA传送方式的提出 中断方式不适用于大批量的数据高速传输在中断方式下 I O仍需通过CPU执行指令来实现外设与内存之间的信息传送 每次中断的进入或返回 以及现场保护要花去大量的时间 而这些时间并不是实质性的信息传递 因而称为额外开销 采用DMA方式 由DMAC来实现内存与外设之间 外设与外设之间的直接快速传送 提高了传输效率和传输速率 适用大批量数据的高速传送 43 能接受外设或软件的DMA请求 并及时向CPU发出总线请求信号 在接受CPU总线响应信号后 能接管对总线的控制 进入DMA方式 能发出地址信息 对内存或I O端口寻址 能自动修改地址寄存器的值 能发出读 写控制信号 能决定传送的字节数及判断DMA传送是否结束 能发出DMA结束信号 释放总线 使CPU恢复正常工作 2 DMA控制器的功能和DMA传送的原理 1 DMA控制器的基本功能 44 2 DMA传送方式 依据DMAC何时归还总线控制权分类 单数据传送方式DMAC向CPU发出一次总线请求 在占用总线后进入DMA方式 只传送一个数据 便释放总线 恢复CPU总线控制权 数据块传送方式在DMA请求获准后 由DMAC保持总线控制权 连续占用若干个总线周期进行连续的批量数据传送 直到整个数据块传送结束或者DMAC接到来自外部的一个过程结束信号 DMAC才释放总线而返回到CPU控制 45 3 DMAC的内部最小配置和接口要求 46 DMAC的内部最小配置 控制寄存器确定DMA方向是否允许接受DMA请求选择DMAC的传送方式 单数据 数据块状态寄存器 数据块传送是否结束字节计数器 控制数据块的长度 具有自动修改功能 如 减1 地址寄存器包括源地址和目的地址寄存器 具有自动修改功能 以便按顺序传送数据块 对于I O端口的访问 DMAC可通过单独的信号线实现 47 DMA传送对外设接口的要求 控制寄存器确定数据传送方向启动I O操作状态寄存器设备是否忙 48 4 DMAC的两种工作状态和外部引线 被控状态 CPU控制总线 DMAC作为一个可编程的标准I O接口 主控状态 DMAC掌握系统总线的控制权 作为一个专用处理器 执行预订的DMA传送 1 DMAC的两种工作状态 49 2 DMAC的外部引线 与I O接口的连接线 HOLD HLDA 作为DMAC寻址I O端口的引线 与CPU的连接线 采用中断方式通知CPU进行结果处理 50 5 DMA传送的三个阶段 传送前预处理 正式传送 传送后处理 传送前预处理 初始化设置 设置字节计数器初值 以决定数据传输长度设置地址寄存器初值 以决定内存存取区首地址设置控制字 以决定传送方向 传送方式 启动DMA操作等对接口部件设置控制字 以决定数据传送方向 启动I O操作 51 正式传送 外设接口 DMAC和CPU三者通过应答信号建立联系 CPU将总线交给DMAC控制 DMA传送DMA读存储器 存储器 外设DMA写存储器 存储器 外设自动增减地址和计数 判断传送完成否 52 传送后处理 是由传送长度计数器的值为0引发的 传送长度计数器的值为0时 DMA将向CPU发出中断请求信号 CPU响应这一信号后 转入中断服务 检查是结束数据传送或是向DMA发新操作命令 或出错时转错误诊断和处理程序 53 3 用DMA方式传输数据的流程 54 4 传送方式的比较 无条件传送 慢速外设需与CPU保持同步 查询传送 简单实用 效率较低 中断传送 外设主动 可与CPU并行工作 但每次传送需要大量额外时间开销 DMA传送 DMAC控制 外设直接和存储器进行数据传送 适合大量 快速数据传送 55 小结 为什么要用接口电路 I O接口的主要