第五章-微型计算机和外设的数据传输PPT课件

.,1,第五章微型计算机和外设的数据传输,5.1接口技术的基本概念5.2I/O端口编址方式5.3I/O端口地址分配5.4CPU和外设之间的数据传送方式,.,2,学习目的,掌握输入/输出接口电路和基本概念、掌握I/O端口编址方法和特点及地址译码方法。掌握CPU与外设数据传送的方式方法。,.,3,5.1接口技术的基本概念,一、接口的概念和功能二、外部设备特点三、接口电路的典型结构四、I/O接口和I/O端口,.,4,一、接口的概念和功能,接口:指CPU、存储器、外设之间通过总线进行连接的电路部分，是CPU与外界进行信息交换的中转站。,接口技术是研究CPU如何与外部世界进行最佳耦合与匹配，实现双方高效、可靠地交换信息的一门技术，是软件、硬件结合的体现，是微机应用的关键。,.,5,.,6,外设是用来实现人机交互的一些机电设备。外设处理信息的类型、速度、通信方式与CPU不匹配,不能直接挂在总线上，必须通过接口和系统相连,2、为什么要用接口电路？,.,7,二、外部设备特点,由以上特点，对I/O部分设计必须考虑两个问题：外设如何与CPU连接-必须通过I/O接口。CPU如何寻址相应的I/O设备-通过寻址与设备对应的I/O端口。,（1）品种繁多。（2）工作速度一般比CPU慢，且速度的分布也相当宽。（3）信号类型与电平种类多样化。（4）信息结构形式复杂。,.,8,三、接口电路的典型结构,从编程角度看，接口内部主要包括一个或多个CPU可以进行读/写操作的寄存器，又称为I/O端口。各I/O端口由端口地址区分。,.,9,按存放信息的不同，I/O端口可分为三种类型数据端口：用于存放CPU与外设间传送的数据信息状态端口：用于暂存外设的状态信息控制端口：用于存放CPU对外设或接口的控制信息，控制外设或接口的工作方式。,CPU对外设输入/输出的控制，是通过对接口电路中各I/O端口的读/写操作完成。,.,10,四、I/O接口和I/O端口,1.I/O接口(1)I/O接口是一电子电路(以IC芯片或接口板形式出现),其内有若干专用寄存器和相应的控制逻辑电路构成.它是CPU和I/O设备之间交换信息的媒介和桥梁.,2.I/O接口的基本功能为:进行端口地址译码设备选择向CPU提供I/O设备的状态信息和进行命令译码进行定时和相应时序控制。对传送数据提供缓冲，以消除计算机与外设在“定时”或数据处理速度上的差异。提供计算机与外设间有关信息格式的相容性变换。提供有关电气的适配还可以中断方式实现CPU与外设之间信息的交换,.,11,（3）CPU与I/O之间的接口信号,数字量：如二进制表示的字母,BCD码,ASCII码或字符。,开关量：一些两个状态的量。,状态信号：表示I/O装置状态的量。,控制信号：如CPU发出的R/W信号和从外设发来的中断信号等。,CPU,I/O设置,数据,状态,控制,对CPU来说，外设状态信息须作为数据输入，而其控制命令作为数据输出，为使它们与数据相互区别-这三者必须从各自端口出入。,.,12,2.I/O端口是I/O接口中可通过编程实现寻址并进行读写的寄存器。CPU与外设之间交换信息具体是通过I/O端口来进行的。即端口寄存器,注意:1).一个外设与CPU交换信息往往需要几个端口：数据端口控制端口状态端口,有时可以合用,.,13,2).在微机系统中，每个端口分配有唯一的地址码，称之为端口地址。3).CPU对外设的访问实际上是通过对I/O端口的访问来实现的-因为端口与设备是一一对应的关系4).I/O通道也就是可以传送和暂存数据的实际通路,所以I/O端口有时也称作I/O通道。,.,14,CPU与外设通过I/O接口通信示意图：,.,15,5.2I/O端口编址方式,一、存储器映象I/O寻址二、独立I/O的寻址方式三、80X86的I/O指令,.,16,一、存储器映象I/O寻址1.基本结构从存储器空间划出一部分地址空间给I/O设备，把I/O接口中的端口当作存储器单元一样进行访问，不设置专门的I/O指令。,2.特点（1）主存单元与I/O端口一起编址。（2）据地址区分访问是I/O端口还是主存。（3）系统中可以不设I/O指令。3.优缺点（1）指令兼容性，存储器指令也可用于I/O数据。（2）I/O接口有较大的编址空间。（3）I/O部分的控制逻辑比较简单。,.,17,二、独立I/O的寻址方式,1.基本结构：2.特点（1）主存单元与I/O端口分开寻址（2）设置I/O指令（3）指明是访问I/O端口，还是主存单元3.优缺点：（1）独立的控制结构，使其可与存储器分开进行设计。（2）单独的I/O指令，可与访问存储器的指令区分。（3）指令地址较短，所需译码硬件较少。（4）指令格式较短，执行时间也短。,但是，其指令功能不强，且处理机芯片有额外的对I/O进行操作的控制引脚。,.,18,三、80X86的I/O指令,1.输入指令ININAL，nINAX，nINAL，DXINAX，DX2.输出指令OUTOUTN，AL/AX；OUTDX，AL/AX；说明:两种指令均可传送一个字节或字，且只能通过AL或者AX传送。如：IN指令中的目的操作数必须是AL（字节传送）或AX（字传送）,.,19,四、独立编址方式的端口访问1.I/O指令中端口地址的宽度IBM-PC系列采用I/O(input/output)指令访问端口，实现数据的I/O传送。,在I/O指令中可采用单字节地址或双字节地址寻址方式。若用单字节地址作业端口地址，则最多可访问256个端口。其指令格式为：INAL,PORT；输入OUTPORT,AL；输出这里，PORT是一个8位的字节地址。,例如：INAL,60H；60H为系统板8255A的PA端口地址OUT61H,AL；61H为系统板8255A的PB端口地址,.,20,双字节地址作为端口地址，则最多可寻址216=64K个端口。MOVDX,HINAL,DX；8位传送MOVDX,HOUTDX,AL；8位传送这里，H为16位的两字节地址。,例如：MOVDX,300H;300H为扩展板8255A的PA端口INAL,DXMOVDX,301H;301H为扩展板8255A的PB端口OUTDX,AL,.,21,2.I/O端口访问所谓对端口的访问就是CPU对端口的读/写。将端口的数据传送存储器例如：输入时MOVDX,300H;I/O端口INAL,DX;从端口读数据到ALMOVDI,AL;将数据从AL存储器输出时MOVDX,301H;I/O端口MOVAL,SI;从内存取数到ALOUTDX,AL;数据从AL端口,.,22,5.3I/O端口地址分配,一、I/O接口硬件分类二、I/O端口地址分配三、I/O端口地址选用的原则,.,23,一、I/O接口硬件分类I/O接口的硬件分成两类：1.系统板上的I/O芯片如定时/计数器、中断控制器、DMA控制器、并行接口等。2.I/O扩展槽上的接口控制卡如软驱卡、硬驱卡、图形卡、声卡、打印卡、串行通信卡等。,.,24,二、I/O端口地址分配PC微机是根据上述I/O接口的硬件分类，把I/O空间分成两部分。PC微机I/O地址线可有16根，对应的I/O端口编址可达64K字节，其端口地址译码是采用部分译码法，即只使用了低10位地址线一个A0A9，故其I/0端口地址范围是0000H003FF，总共只有1024个端口。,.,25,系统板上接口芯片的端口地址I/O芯片名称端口地址DMA控制器100001FHDMA控制器20C00DFHDMA页面寄存器08009FH中断控制器102003FH中断控制器20A00BFH定时器04005FH并行接口芯片（键盘接口）06006FHRT/CMOSRAM07007FH协处理器0F00FFH,.,26,扩展槽上接口控制卡的端口地址I/0接口名称端口地址游戏控制卡20020FH并行口控制卡137037FH并行口控制卡227027FH串行口控制卡13F83FFH串行口控制卡22F02FFH原型插件板（用户可用）30031FH同步通信卡13A03AFH同步通信卡238038FH单显MDA3B03BFH彩显CGA3D03DFH彩显EGG/VGA3C03CFH硬驱控制卡1F01FFH软驱控制卡3F03F7HPC网卡36036FH,.,27,三、I/O端口地址选用的原则凡是被系统配置占用了的地址一律不能使用；未被占用的地址，用户可以使用，但申明保留的地址，不要使用。用户可使用300H31FH地址。,.,28,一、无条件传送方式二、有条件传送方式三、中断传送方式四、DMA传送方式,5.4CPU和外设之间的数据传送方式,.,29,一、无条件传送方式当外部设备的各种动作时间是固定的,且已知就可采用这种方式,把软件延时时间设计大于这个固定动作时间,不用状态判断。这种方式一般只需一个数据端口。,.,30,无条件传送的输入方式,三态缓冲器,数据总线DB,地址总线,数据,来自外设,RD,IO/M,地址译码器,&,无条件传送的输入方式,8,.,31,无条件传送的输出方式,无条件传送的输出方式,.,32,由于外设速度比较慢,要求输出数据在接口电路输出端维持一段时间,故必须加锁存器,地址总线,.,33,二、条件传送方式(又叫查询传送方式),无条件传送必须确认外设已经准备好才能用,条件传送采用查询外设状态,这样接口部分除数据端口外,还须有状态信号端口。,.,34,查询式输入接口电路,IO/M,查询式输入,.,35,当输入装置数据准备好发出一个选通信号,一面把数据锁存起来,一面送D触发器的CLK端,将D=1打入Q端,使Q=1；CPU读入状态信息READY；当READY=1,输入数据；读入数据同时,将状态信号清零。程序段如下：G0:INAL,STATUS-PORT；读入状态信息TESTAL,10H；READY=1？JZG0；未准备好,再查INAL,DATA-PORT；准备好,读入,.,36,查询式输出,查询式输出接口电路,地址译码,o,o,o,o,o,o,o,o,输入装置,数据,锁存器,缓冲器,缓冲器,中断矢量,去DB,INTA(中断响应信号),INTR,去数据总线DB,地址总线,选通,IOR,+5V,D,Q,&,&,R,CS,地址译码,.,41,以输入为例:输入装置输入一数据,发出选通信号,一方面把数据存入锁存器,一方面又使D触发器置1,在中断允许下,发出INTR,CPU在现行指令执行完后,发出INTA,把外设送来的中断向量放到DB上,于是CPU转入中断服务程序,读入数据,同时清除中断请求INTR,中断处理完,CPU返回被中断处理的程序继续执行。,.,42,四、DMA传送方式(直接数据通道传送),中断传送方式可大大提高CPU效率,但仍是由CPU来传送,要用不少指令,有些情况下仍嫌太慢,例磁盘与内存间交换数据,高速采集,高速数据块传送(内存内存)等,通常采用DMA传送。进行DMA传送要用到DMA控制器(DMAC)为实现DMA方式而设计的专门接口。DMAC包括四个寄存器：状态控制寄存器，数据寄存器，地址寄存器和字节计数器。这些寄存器在传送之前进行初始化。,.,43,DMAC的传送步骤：DMAC向CPU发出总线请求HOLD信号；CPU收到HOLD后,在当前总线周期的T4状态输出一个总线响应信号HLDA,让出总线控制权,DMAC接管总线控制权进入DMA方式；发出地址信息,能对存储器寻址发出读或写等控制信号,通过DB传送数据修改地址指针、字节计数器,判断DMA传送是否结束若传送完,发出DMA结束信号,CPU恢复对总线的控制DMA可实现：存储器外设存储器存储器,.,44,三态缓冲器和锁存器,（一）三态缓冲器是微处理器并行总线接口中必须要使用的一种接口部件。,如图：,o,EN,输入,其中EN开门：,输入为1时,输出为1,输入为0时,输出为0,其中EN关门：,输入为1/0，输出为高阻,几个问题的讨论,.,45,（二）锁存器：功能是把来自设备的输入信息锁存起来，并一直稳定地保持它，直到微处理器取走信息。,如图：,1,8,D,D,EN,CP,.,o,.,46,CPU对多个外设的选择,当CPU与多个外设通信时,CPU就需要对各外设对应的接口芯片进行逻辑选择。其中：CPU利用译码器对高位地址译码产生相应的片选信号，因此选择外设所对应的接口芯片的方法，与CPU与MEMORY相连时产生片选信号的思想一样，也使用部分译码器，如：可使用3-8译码器。,.,47,输入/输出的定时与协调,在输入/输出的过程中，CPU与外设之间如果没有时间上的相互配合与协调，数据的传送过程无法正常进行。,（一）采用查询的方法通常，这种方法安排有一对“握手”线，作为通信时CPU与设备之间进行应答信号用。,其输入“应答”过程一般分为以下几步：,.,48,（1）外设通过数据线送到I/O接口，同时通过握手线1送“数据准备好”信号。（2）CPU检查是否有“数据准备好”信号。（3）若有“数据准备好”信号，则CPU读数据。（4）CPU将“输入响应”信号通过握手线2送往外设。该信号表示上一个数据已取走，外设可再送下一个数据。,.,49,（二）采用中断的方法（1）外设向CPU发出中断请求信号。（2）CPU检查是否允许中断。（3）若允许中断，则CPU发