微机原理 第五章

1、第第5章章 微型计算机微型计算机和外设的数据传输和外设的数据传输博学 审问 慎思 明辨 笃行22021-10-31第第5章章 微型计算机和外设的数据传输微型计算机和外设的数据传输 5.1 为什么要用接口为什么要用接口 5.2 CPU和输入和输入/输出设备之间的信号输出设备之间的信号 5.3 接口部件的接口部件的I/O端口端口 5.4 接口的功能以及在系统中的连接接口的功能以及在系统中的连接 5.5 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 教学重点为: 接口的必要性；接口的必要性； CPU和输入和输入/输出设备之间的信号；输出设备之间的信号； 中断传输的原理；中断传输的原理； D

2、MA方式的原理；方式的原理； 第第5章章 微型计算机和外设的数据传输微型计算机和外设的数据传输32021-10-315.1 为什么要用接口为什么要用接口I/O接口接口: 一个简单的微机系统需要一个简单的微机系统需要CPU、存储器存储器、基本的、基本的输入输入输出设备输出设备以及将它们连接在一起的各种信号线和以及将它们连接在一起的各种信号线和接口电路接口电路。 80X86 微处理器微处理器 80X87 协处理器协处理器总总线线控控制制逻逻辑辑ROM RAM RT/CMOSROMI/O接接口口 键键 盘盘 CRT显示器显示器 打印机打印机 磁盘驱动器磁盘驱动器 网卡网卡 MODEM 鼠标鼠标 系统

3、系统 总线总线第第5章章 微型计算机和外设的数据传输微型计算机和外设的数据传输42021-10-31微机的外部设备多种多样，工作原理不尽相同，微机的外部设备多种多样，工作原理不尽相同，与与CPU相比：相比： （1）工作速度不匹配）工作速度不匹配 （2）通信方式不匹配）通信方式不匹配 （3）信息格式不匹配）信息格式不匹配 （4）时序不匹配）时序不匹配 接口电路的作用接口电路的作用是解决计算机与外设之间的信息转换是解决计算机与外设之间的信息转换问题的，这可以把计算机输出的信息变成外设能够识别的问题的，这可以把计算机输出的信息变成外设能够识别的信息，把外设输入的信息转化成计算机所能接受的信息。信息，

4、把外设输入的信息转化成计算机所能接受的信息。 因此输入输出设备不能直接与因此输入输出设备不能直接与CPU的系统总线相连，的系统总线相连，必须在必须在CPU与外设之间设置专门与外设之间设置专门接口电路接口电路来解决这些问题。来解决这些问题。第第5章章 微型计算机和外设的数据传输微型计算机和外设的数据传输采用采用I/O接口的必要性：接口的必要性：52021-10-315.2 CPU和输入和输入/输出设备之间的信号输出设备之间的信号数据寄存器数据寄存器CPUI/O状态寄存器状态寄存器控制寄存器控制寄存器DBABCB数据数据状态状态控制控制数据信息、状态信息和控制信息都是通过数据信息、状态信息和控制信

5、息都是通过数据总线数据总线传送的。传送的。CPU通过通过I/O指令（指令（IN/OUT）读）读/写端口的数据。写端口的数据。接口电路接口电路第第5章章 微型计算机和外设的数据传输微型计算机和外设的数据传输62021-10-315.3 接口部件的接口部件的I/O端口端口v数据寄存器数据寄存器 保存处理器与外设之间交换的数据保存处理器与外设之间交换的数据 数据输入寄存器：保存从输入设备数据输入寄存器：保存从输入设备获取的数据，处理器选择合适的方获取的数据，处理器选择合适的方式进行读取式进行读取 数据输出寄存器：保存处理器发往数据输出寄存器：保存处理器发往输出设备的数据，适时到达输出设输出设备的数据

6、，适时到达输出设备备v状态寄存器状态寄存器 保存外设当前的工作状态信息保存外设当前的工作状态信息v控制寄存器控制寄存器 保存处理器控制接口电路和外设操保存处理器控制接口电路和外设操作的有关信息作的有关信息从编程角度看，接口内部主要包括从编程角度看，接口内部主要包括一个或多个一个或多个 CPU可以进行读可以进行读/写操作的写操作的寄存器寄存器，又称为，又称为I/O端口端口。各各I/O端口由端口由端口地址区分端口地址区分。接口电路接口电路按存放信息的不同，按存放信息的不同，I/O端口可分为端口可分为三种类型：三种类型：数据端口数据端口：存放存放CPU与外设间与外设间 传送的传送的数据信息数据信息状

7、态端口：状态端口：暂存外设的状态信息暂存外设的状态信息控制端口控制端口：存放存放CPU对外设或接对外设或接 口的控制信息口的控制信息，控制，控制 外设或接口的工作方式。外设或接口的工作方式。CPU对外设输入对外设输入/输出的控制输出的控制， 是通过是通过对接口电路中各对接口电路中各I/O端口的读端口的读/写操作完成。写操作完成。第第5章章 微型计算机和外设的数据传输微型计算机和外设的数据传输72021-10-31（1）存储器映像寻址方式）存储器映像寻址方式 （与存储器寻址统一）（与存储器寻址统一） 若把系统中的每一个若把系统中的每一个I/O端口都看作一端口都看作一个存储单元，并与存储单元一样统

8、一编址，个存储单元，并与存储单元一样统一编址，这样访问存储器的所有指令均可用来访问这样访问存储器的所有指令均可用来访问I/O端口，不用设置专门的端口，不用设置专门的I/O指令。指令。优点：优点：简化指令集，对简化指令集，对I/O的访问更加灵活的访问更加灵活方便，方便，I/O地址空间可大可小地址空间可大可小缺点：缺点：占用内存空间。占用内存空间。 内内存存空空间间I/O空空间间I/O端口的寻址方式端口的寻址方式第第5章章 微型计算机和外设的数据传输微型计算机和外设的数据传输82021-10-31（2）I/O单独编址方式单独编址方式 对系统中的输入输出端口地址单独编址，构对系统中的输入输出端口地址

9、单独编址，构成一个成一个I/O空间，他们不占用存储空间，而是用专空间，他们不占用存储空间，而是用专门的门的IN和和OUT指令来访问这种具有独立地址空间指令来访问这种具有独立地址空间的端口。的端口。优点：优点：将输入输出指令和访问存储器的指令明显将输入输出指令和访问存储器的指令明显区分开，使程序清晰，可读性好；区分开，使程序清晰，可读性好；I/O指令长度短，指令长度短，执行速度快，不占用内存空间；执行速度快，不占用内存空间；I/O地址译码电路地址译码电路简单。简单。缺点：缺点：指令系统中需专门的指令，且这些指令的指令系统中需专门的指令，且这些指令的功能没有访问存储器指令强；功能没有访问存储器指令

10、强；CPU需提供区分存需提供区分存储器读储器读/写和写和I/O读写的控制信号。读写的控制信号。I/O空空间间内内存存空空间间第第5章章 微型计算机和外设的数据传输微型计算机和外设的数据传输92021-10-31102021-10-31112021-10-315.4.1 接口的功能接口的功能v 寻址功能寻址功能v 输入输入/输出功能输出功能v 数据转换功能数据转换功能v 联络功能联络功能v 中断管理功能中断管理功能v 复位功能复位功能v 可编程功能可编程功能v 错误检测功能错误检测功能5.4 接口的功能以及在系统中的连接接口的功能以及在系统中的连接第第5章章 微型计算机和外设的数据传输微型计算机

11、和外设的数据传输122021-10-315.4.2 接口与系统的连接接口与系统的连接第第5章章 微型计算机和外设的数据传输微型计算机和外设的数据传输132021-10-315.5.1 程序方式：程序方式：无条件传送、条件传送无条件传送、条件传送5.5 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 CPU与外设的工作速度不一致，与外设的工作速度不一致，如何使两者高效、如何使两者高效、可靠地进行数据传送，可靠地进行数据传送，是本节讨论的问题。是本节讨论的问题。一、一、程序方式程序方式二、二、中断传送方式中断传送方式三、三、DMA传送方式传送方式 ( Direct Memory Acces

12、s ) 有以下几种传送方式有以下几种传送方式： 计算机系统与外部设备之间交换信息的数据传送主要计算机系统与外部设备之间交换信息的数据传送主要取决于应用程序的控制方法，具体来说，主要由接口控制取决于应用程序的控制方法，具体来说，主要由接口控制程序决定，通过程序决定，通过CPU执行程序中的执行程序中的I/O指令来完成传送。指令来完成传送。第第5章章 微型计算机和外设的数据传输微型计算机和外设的数据传输142021-10-311.无条件传送方式无条件传送方式同步传送方式同步传送方式传送数据时，已知外部设备传送数据时，已知外部设备是准备好，因此计算机不用查询是准备好，因此计算机不用查询外部设备的状态信

13、息，输入输出外部设备的状态信息，输入输出直接使用直接使用IN或或OUT指令完成数指令完成数据的传送。据的传送。 主要适用于简单设备，如主要适用于简单设备，如LED数码管、开关按键或按纽等，数码管、开关按键或按纽等，外部设备的各种动作时间是固定外部设备的各种动作时间是固定的，并且条件是已知的情况，或的，并且条件是已知的情况，或者计算机与外部设备是完全同步者计算机与外部设备是完全同步的情况下。但传送不能太频繁，的情况下。但传送不能太频繁，外设必须随时就绪。外设必须随时就绪。第第5章章 微型计算机和外设的数据传输微型计算机和外设的数据传输152021-10-31162021-10-312.2.条件传

14、送方式条件传送方式查询方式查询方式计算机与外设之间工作不同步（大部分情况），计算机与外设之间工作不同步（大部分情况），CPU执行执行IN、OUT指令时，很难保证外设一定准备好指令时，很难保证外设一定准备好接收数据或已将数据准备好，所以通常接口控制程序在接收数据或已将数据准备好，所以通常接口控制程序在读取或发送数据前，先查询外部设备的状态信息。当外读取或发送数据前，先查询外部设备的状态信息。当外部设备准备就绪时才进行数据传送，否则计算处理器就部设备准备就绪时才进行数据传送，否则计算处理器就等待。等待。其优点是其优点是高速高速CPU可以与任意低速外设进行速度匹可以与任意低速外设进行速度匹配；但传送

15、速率慢，配；但传送速率慢，CPU的利用率低，不能用于高速外的利用率低，不能用于高速外设（磁盘、磁带）等的数据传送设（磁盘、磁带）等的数据传送 。第第5章章 微型计算机和外设的数据传输微型计算机和外设的数据传输172021-10-31182021-10-31 查询环节查询环节v 寻址状态口寻址状态口v 读取状态寄存器的标志位读取状态寄存器的标志位v 若不就绪就继续查询，直至就绪若不就绪就继续查询，直至就绪 传送环节传送环节v 寻址数据口寻址数据口v 是输入，通过输入指令从数据端口读入数据是输入，通过输入指令从数据端口读入数据v 是输出，通过输出指令向数据端口输出数据是输出，通过输出指令向数据端口

16、输出数据输入状态输入状态就绪？就绪？数据交换数据交换YN第第5章章 微型计算机和外设的数据传输微型计算机和外设的数据传输192021-10-31例例 查询方式输入查询方式输入假设假设 外设的外设的状态端口状态端口为为21C H， 其中其中D4=1时，表示外设数据准备好时，表示外设数据准备好 外设的外设的数据端口数据端口为为218 H。实现从外设读入实现从外设读入50H个字节到内存缓冲区个字节到内存缓冲区buffer中。中。21CH端口端口状态端口状态端口218H端口端口数据端口数据端口地址地址译码译码数据数据缓冲缓冲控制控制电路电路输输入入外外备备CPU地址线地址线数据线数据线控制线控制线第第

17、5章章 微型计算机和外设的数据传输微型计算机和外设的数据传输202021-10-31查询方式输入接口查询方式输入接口, 参看教材图参看教材图5-4状态端口状态端口 D4=1 表示外设准备好表示外设准备好三三 态态缓冲器缓冲器输输入入设设备备数数 据据 线线2 1 8H 数据数据端口端口地址地址译码译码地址线地址线 状态状态端口端口地址地址译码译码锁锁存存器器IOR R Q D三三 态态缓冲器缓冲器+5vD42 1 CH STBPC总线总线IORA15A0D7D0&MOV DX, 218HIN AL, DXMOV DX, 21CHIN AL, DX第第5章章 微型计算机和外设的数据传输微

18、型计算机和外设的数据传输212021-10-31从从21CH状态端口状态端口读入外设状态信息读入外设状态信息从从218H数据端口数据端口读入一个字节数据读入一个字节数据YND4=1, 外设准备好否？外设准备好否？N50H个数据个数据传送结束？传送结束？Y编程从外设读入编程从外设读入50H个字节到内存缓冲区个字节到内存缓冲区buffer中中第第5章章 微型计算机和外设的数据传输微型计算机和外设的数据传输222021-10-31 、 MOV AX, SEG buffer ;取缓冲区首地址取缓冲区首地址 MOV DS, AX LEA DI, buffer MOV CX, 50H ;传送个数传送个数

19、next: MOV DX, 21CH ask： IN AL, DX ;从状态端口读入状态信息从状态端口读入状态信息 TEST AL, 0001 0000B ;检测检测D4位位 JZ ask ;D4=0,继续查询继续查询 MOV DX, 218H IN AL, DX ;从数据端口读入数据从数据端口读入数据 MOV DI, AL ;送缓冲区送缓冲区 INC DI ;修改缓冲区指针修改缓冲区指针 LOOP next ;传送下一个传送下一个 、查询方式输入程序段查询方式输入程序段:第第5章章 微型计算机和外设的数据传输微型计算机和外设的数据传输232021-10-315.5.2 中断方式中断方式当外部

20、设备准备好数据或准备好接收数据时，由外当外部设备准备好数据或准备好接收数据时，由外部设备向计算机处理器部设备向计算机处理器CPU发出中断请求，发出中断请求，CPU就暂停就暂停原程序执行，转入执行输入输出操作，完成后再返回原原程序执行，转入执行输入输出操作，完成后再返回原程序继续执行。程序继续执行。这样这样CPU不用等待外部设备，从而提高了计算机不用等待外部设备，从而提高了计算机CPU的利用率。的利用率。 特点：特点：CPU与外设可同时工作。与外设可同时工作。 要求：要求：接口中需要中断控制逻辑支持。接口中需要中断控制逻辑支持。 应用：应用：适用于非高速度大量数据传送时，可提供适用于非高速度大量

21、数据传送时，可提供CPUCPU的的 工作效率和利用率。工作效率和利用率。第第5章章 微型计算机和外设的数据传输微型计算机和外设的数据传输242021-10-31252021-10-31中断传送是一种效率更高的程序传送方式中断传送是一种效率更高的程序传送方式进行传送的进行传送的中断服务程序是预先设计好的中断服务程序是预先设计好的中断请求是外设随机向中断请求是外设随机向CPU提出的提出的CPU对请求的检测是有规律的对请求的检测是有规律的：一般是在每：一般是在每条指令的最后一个时钟周期采样中断请求输条指令的最后一个时钟周期采样中断请求输入引脚入引脚中断还有着非常广泛的应用中断还有着非常广泛的应用第第5章章 微型计算机和外设的数据传输微型计算机和外设的数据传输262021-10-31v 中断优先级问题的解决中断优先级问题的解决第第5章章 微型计算机和外设的数据传输微型计算机和外设的数据传输272021-10-315.5.3 DMA方式方式(直接存储器存取方式直接存储器存取方式)中断传送可以大大提高计算机的中断传送可以大大提高计算机的CPU的利用率，但的利用率，但中断传送时每次中断都必须有保护断点，保护现场的处中断传送时每次中断都必须有保护断点，保护现场的处理过程，对于一个高速的理过程，对于一个高速的I/O设备，显得过于繁杂和速度设备，显得过于繁