微机原理第5章微型计算机与外设之间的数据传输

1、 通过本章的学习，使学生掌握接口电路的通过本章的学习，使学生掌握接口电路的基本概念、接口电路的主要功能、两种基本概念、接口电路的主要功能、两种I/OI/O端端口的编址方式、微处理器与口的编址方式、微处理器与I/OI/O设备数据传送设备数据传送的查询式输入输出方式以及中断方式输入输出的查询式输入输出方式以及中断方式输入输出直接存储器存取（直接存储器存取（DMADMA）方式）方式教学目的和教学要求教学目的和教学要求重点：重点：n I/O端口的编址方式端口的编址方式n CPU与与I/O设备数据传送的查询式输入输设备数据传送的查询式输入输出方式以及中断方式输入输出出方式以及中断方式输入输出难点：难点：

2、 n 微处理器与微处理器与I/O设备数据传送的几种方式设备数据传送的几种方式本章重点、难点本章重点、难点5.1接口电路的概述接口电路的概述 所谓所谓接口接口就是微处理器与外围设备之间的连接电就是微处理器与外围设备之间的连接电路，它是两者之间进行信息交换时的必要通路，不路，它是两者之间进行信息交换时的必要通路，不同的外设有不同的输入同的外设有不同的输入/ /输出接口电路。例如，键输出接口电路。例如，键盘输入有键盘接口电路，盘输入有键盘接口电路，CRTCRT显示器有显示器输出显示器有显示器输出接口电路，打印机也有打印输出接口电路等等接口电路，打印机也有打印输出接口电路等等 微型计算机系统的各类接口

3、如图所示微型计算机系统的各类接口如图所示 微型计算机各种接口框图微型计算机各种接口框图 nI/O接口是位于系统与外设间、用来协助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完成数据传送和控制任务的逻辑电路nPC机系统板的可编程接口芯片、机系统板的可编程接口芯片、I/O总总线槽的电路板（适配器）都是接口电路线槽的电路板（适配器）都是接口电路什么是什么是I/OI/O接口（电路）？接口（电路）？n微机的外部设备多种多样微机的外部设备多种多样n工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差别很大工作速度方面彼此差别很大n它们不能与它们不能与C

4、PU直接相连直接相连n必须经过中间电路再与系统相连必须经过中间电路再与系统相连n这部分电路被称为这部分电路被称为I/O接口电路接口电路为什么需要为什么需要I/OI/O接口（电路）？接口（电路）？n处理微机系统与外设间联系的技术处理微机系统与外设间联系的技术n注意其软硬结合的特点注意其软硬结合的特点n根据应用系统的需要，使用和构造相应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，支的接口电路，编制配套的接口程序，支持和连接有关的设备持和连接有关的设备什么是微机接口技术？什么是微机接口技术？5.2 CPU与外设之间所传送的信息类型与外设之间所传送的信息类型CPU与与I/O端口之

5、间所交换的信息，可以有下列几种类型：端口之间所交换的信息，可以有下列几种类型：数据信息：包括数字量、模拟量、开关量等，可以输入也可以：包括数字量、模拟量、开关量等，可以输入也可以输出输出状态信息：这是：这是I/O端口送给端口送给CPU的有关本端口所对应的外设的有关本端口所对应的外设当前状态的信息。供当前状态的信息。供CPU进行分析、判断、决策。进行分析、判断、决策。控制信息：这是：这是CPU送给送给I/O端口的控制命令，使相应的外部端口的控制命令，使相应的外部设备完成特定的操作。设备完成特定的操作。 数据信息、状态信息和控制信息是不同类型的信息，它数据信息、状态信息和控制信息是不同类型的信息，

6、它们所起的作用也不一样。但在们所起的作用也不一样。但在8086/8088微机系统中，这三微机系统中，这三种、不同类型的信息的输入、输出种、不同类型的信息的输入、输出过程是相同的。为了加以。为了加以区分，可以使它们具有不同的端口地址，在端口地址相同的区分，可以使它们具有不同的端口地址，在端口地址相同的情况下，可以规定操作的顺序，或者在输入情况下，可以规定操作的顺序，或者在输入/输出的数据中输出的数据中设置特征位。设置特征位。 传送方式有并行和串行两种。5.3 接口部件的接口部件的I/O端口端口 I/O接口电路的连接接口电路的连接5.3.1I/O5.3.1I/O接口电路中的基本寄存器接口电路中的基

7、本寄存器I/OI/O接口电路中一般具有接口电路中一般具有三种类型三种类型的的基本寄基本寄存器存器，它们是用于存取数据的寄存器，存取命，它们是用于存取数据的寄存器，存取命令信息的寄存器以及存取外设所处状态的寄存令信息的寄存器以及存取外设所处状态的寄存器器, ,习惯上把这些寄存器称为端口习惯上把这些寄存器称为端口1 1、数据端口、数据端口2 2、命令端口、命令端口3 3、状态端口、状态端口 1数据端口数据端口 n用于中转数据信息。一种情况是用于中转数据信息。一种情况是CPUCPU通过数据总通过数据总线，将待传送给外设的数据先传送到数据端口，线，将待传送给外设的数据先传送到数据端口，然后由然后由I/

8、OI/O设备通过与设备通过与I/OI/O接口电路相连接的数接口电路相连接的数据线取得该数据据线取得该数据n另一种情况是另一种情况是I/OI/O设备首先将输入数据锁存于数设备首先将输入数据锁存于数据端口，然后，据端口，然后，CPUCPU通过数据端口将该数据读入通过数据端口将该数据读入CPUCPU中。数据端口一般既有输出寄存器（或称输中。数据端口一般既有输出寄存器（或称输出锁存器），又有输入寄存器（或称输入锁存出锁存器），又有输入寄存器（或称输入锁存器）器）2、命令端口、命令端口用于传送对用于传送对I/OI/O设备的命令信息。设备的命令信息。CPUCPU将命将命令信息通过数据总线写入令信息通过数据

9、总线写入I/OI/O接口电路的命令接口电路的命令寄存器中，然后传送到寄存器中，然后传送到I/OI/O设备，以便控制外设备，以便控制外设的操作。它由输出寄存器组成，命令端口设的操作。它由输出寄存器组成，命令端口是一个输出端口是一个输出端口3、状态端口、状态端口用于传送外设所处的状态信息。状态端口是输入用于传送外设所处的状态信息。状态端口是输入端口，端口，CPUCPU通过读取状态端口的数据，以此了解外设通过读取状态端口的数据，以此了解外设当前所处的工作状态，比如，如果是输入设备，则当前所处的工作状态，比如，如果是输入设备，则可以通过状态信息了解输入设备是否有了等待输入可以通过状态信息了解输入设备是

10、否有了等待输入的新数据，如果是输出设备，的新数据，如果是输出设备，CPUCPU通过读入的状态信通过读入的状态信息，可以了解输出设备是否作好了接受息，可以了解输出设备是否作好了接受CPUCPU传送新数传送新数据的准备。显然，据的准备。显然，1bit1bit的状态信息可以反应的状态信息可以反应1 1个外设个外设的两种状态，的两种状态，1 1个个8 8位的状态端口则可以反应外设的位的状态端口则可以反应外设的8 8个状态信息个状态信息总之，总之，I/OI/O接口电路中一般有数据端口、命接口电路中一般有数据端口、命令端口以及状态端口，每个端口地址是不相令端口以及状态端口，每个端口地址是不相同的，同的，C

11、PUCPU均通过数据总线来传送三种端口的均通过数据总线来传送三种端口的数据。有些数据。有些I/OI/O接口中，还有中断控制逻辑电接口中，还有中断控制逻辑电路，以便外设与路，以便外设与CPUCPU之间以中断方式进行输入之间以中断方式进行输入或输出，其优点是可以提高或输出，其优点是可以提高CPUCPU的工作效率的工作效率5.3.2 I/O端口的编址方式端口的编址方式 端口端口是接口电路中能被是接口电路中能被CPUCPU直接访问的寄存器的地直接访问的寄存器的地址址。由于有的寄存器寄存的二进制信息专门用来被。由于有的寄存器寄存的二进制信息专门用来被CPUCPU读取，有的寄存器用于专门接收读取，有的寄存

12、器用于专门接收CPUCPU发出来的数据，因发出来的数据，因此，被此，被CPUCPU访问的寄存器的地址分为输入端口和输出端访问的寄存器的地址分为输入端口和输出端口，故称为口，故称为I/OI/O端口端口 微机给接口电路中的每个寄存器分配一个端口，即微机给接口电路中的每个寄存器分配一个端口，即给每个寄存器分配一个地址，当给每个寄存器分配一个地址，当CPUCPU访问这些寄存器时，访问这些寄存器时，通过执行通过执行I/OI/O指令，由指令，由I/OI/O指令中给出的地址就从地址指令中给出的地址就从地址总线上发出去，经接口电路中的地址译码器译码后，总线上发出去，经接口电路中的地址译码器译码后，便可以选中便

13、可以选中I/OI/O指令中所指定的寄存器进行指令中所指定的寄存器进行R/WR/W访问访问 两种两种I/O端口的编址方式端口的编址方式一、统一编址一、统一编址 从内存空间划出一部分地址空间留给从内存空间划出一部分地址空间留给I/OI/O设设备编址，备编址，CPUCPU把把I/OI/O端口所指的寄存器当作存储端口所指的寄存器当作存储单元进行访问，直接用访问内存的指令访问单元进行访问，直接用访问内存的指令访问I/OI/O寄存器，这种寄存器，这种I/OI/O端口的编址方式被称之为统一端口的编址方式被称之为统一编址，或称为存储器映像的编址，或称为存储器映像的I/OI/O编址方式编址方式优点：优点：不需要

14、设立专门的不需要设立专门的I/OI/O指令，用访问内指令，用访问内存的指令就可以访问外设，指令类型多，功能存的指令就可以访问外设，指令类型多，功能齐全，还可以对端口进行算术运算，逻辑运算齐全，还可以对端口进行算术运算，逻辑运算以及移位操作等。以及移位操作等。I/OI/O端口空间不受限制端口空间不受限制 缺点：缺点：是是I/OI/O端口占用了内存空间，减少了内端口占用了内存空间，减少了内存容量存容量统一编址优缺点统一编址优缺点二、专门的二、专门的I/OI/O编址方式编址方式 接口电路中所有的接口电路中所有的I/OI/O端口统一编址，而所端口统一编址，而所有有I/OI/O端口建立的地址空间与内存地

15、址空间是端口建立的地址空间与内存地址空间是两个独立的地址空间，也常称这种方式为独两个独立的地址空间，也常称这种方式为独立编址方式立编址方式 优点：优点：不占用内存空间，使用专门不占用内存空间，使用专门I/OI/O指令访指令访问问I/OI/O端口，端口，I/OI/O速度快速度快 缺点：缺点：CPUCPU的引脚上必须具有能区分出访问内的引脚上必须具有能区分出访问内存还是访问存还是访问I/OI/O端口的信号，作为端口的信号，作为I/OI/O接口电接口电路中端口译码电路以及存储器片选译码电路的路中端口译码电路以及存储器片选译码电路的输入信号输入信号专用I/O编址的优缺点5.4.1 接口电路的主要功能接

16、口电路的主要功能设备选择功能设备选择功能数据缓冲功能数据缓冲功能接收和执行接收和执行CPUCPU命令的功能命令的功能寄存外设状态的功能寄存外设状态的功能 信号的转换功能信号的转换功能 数据宽度变换的功能数据宽度变换的功能可编程功能可编程功能 5.5 CPU与与I/O设备传输数据的几种方式设备传输数据的几种方式CPUCPU以及以及I/OI/O设备的种类繁多，设备的种类繁多，CPUCPU与与I/OI/O设备设备所构成的系统不可能完全相同，所构成的系统不可能完全相同，CPUCPU与与I/OI/O设备设备之间传输数据的方式也不完全相同，接口电路之间传输数据的方式也不完全相同，接口电路的结构与功能也不同

17、，驱动程序也不相同的结构与功能也不同，驱动程序也不相同传输数据的方式：无条件传输数据的方式：无条件I/OI/O传送方式、查传送方式、查询式输入输出方式、中断控制方式、询式输入输出方式、中断控制方式、DMADMA方式方式. .一、无条件输入输出方式一、无条件输入输出方式无条件输入输出方式无条件输入输出方式是一种最简单的输入是一种最简单的输入/ /输输出控制方式，其出控制方式，其I/OI/O接口电路及软件比较简单，接口电路及软件比较简单，所有的操作均由执行程序来完成所有的操作均由执行程序来完成特点特点：输入接口电路总是准备好了等待输入给：输入接口电路总是准备好了等待输入给CPUCPU的数据，输出接

18、口电路总是准备好了接受来的数据，输出接口电路总是准备好了接受来自自CPUCPU的数据。的数据。CPUCPU无须查询无须查询I/OI/O设备是否准备就设备是否准备就绪，直接用汇编语言或高级语言编程，实现输入绪，直接用汇编语言或高级语言编程，实现输入或输出操作或输出操作 此种方式的接口电路是查询式输入输出方式接此种方式的接口电路是查询式输入输出方式接口电路的基础口电路的基础 二、查询式输入输出方式二、查询式输入输出方式 1 1查询式输入方式查询式输入方式当当CPUCPU采用查询方采用查询方式从外设读取数据时，式从外设读取数据时，CPUCPU必须首先从状态必须首先从状态端口查询外设的数据端口查询外设

19、的数据是否已经准备好，确是否已经准备好，确认已准备好后，才能认已准备好后，才能执行一次数据输入操执行一次数据输入操作作 例：假设状态端口与数据端口的地址分别为例：假设状态端口与数据端口的地址分别为300H300H和和301H301H，状态信息从数据总线上的，状态信息从数据总线上的D D0 0位读入位读入CPUCPU中，查询中，查询式输入程序段如下：式输入程序段如下： MOV DXMOV DX，300H 300H ； 状态口地址传送给状态口地址传送给DXDXABCABC：IN ALIN AL，DX DX ；读入状态信息；读入状态信息 TEST ALTEST AL，01H 01H ；AL01HAL

20、01H，影响，影响ZFZF标志标志 JZ ABC JZ ABC ； 如果状态信息为如果状态信息为0 0转转ABCABC MOV DX MOV DX，301H301H；数据端口地址传送给；数据端口地址传送给DXDX IN AL IN AL，DX DX ； 读入数据信息读入数据信息 2 2查询式输出方式查询式输出方式当当CPUCPU采用查询方式采用查询方式向外设输出数据时，向外设输出数据时，CPUCPU必须首先从状态端必须首先从状态端口查询外设是否已经口查询外设是否已经作好了接受作好了接受CPUCPU数据的数据的准备，若没有准备好，准备，若没有准备好，则要继续查询，若准则要继续查询，若准备好了，备

21、好了，CPUCPU便执行一便执行一次数据输出操作次数据输出操作 例：假设状态端口与数据端口的地址分别为例：假设状态端口与数据端口的地址分别为3FOH3FOH和和3F1H3F1H，状态信息从数据线上，状态信息从数据线上D D7 7位读入位读入CPUCPU中，查询式输中，查询式输出程序段如下：出程序段如下： MOV DXMOV DX，3F0H 3F0H ； 状态口地址传送给状态口地址传送给DXDXCBACBA：IN ALIN AL，DX DX ； 读入状态信息读入状态信息 TEST ALTEST AL，80H 80H ； AL80HAL80H，影响，影响ZFZF标志标志 JZ CBA JZ CBA

22、 ； 如果状态信息为如果状态信息为0 0则转则转CBACBA MOV DX MOV DX，3F1H 3F1H ； 数据端口地址传送给数据端口地址传送给DXDX MOV AL MOV AL，SI SI ； 从内存读取数据给从内存读取数据给ALAL OUT DX OUT DX，AL AL ； 向数据口输出数据向数据口输出数据 3 3查询式输入输出方式存在的问题查询式输入输出方式存在的问题 从图可以看出，当从图可以看出，当CPUCPU与与I/OI/O设备之间采用查询式输设备之间采用查询式输入输出方式交换数据时，入输出方式交换数据时，CPUCPU必须顺序查询每一个外必须顺序查询每一个外设设，当某一个外

23、设不需要服务时，当某一个外设不需要服务时，CPUCPU也得按顺序查也得按顺序查询一次。外设总是处于被动状态，询一次。外设总是处于被动状态，CPUCPU无法快速响应无法快速响应外设要求及时服务的请求。外设要求及时服务的请求。CPUCPU为了服务外设，其它为了服务外设，其它程序会停止执行，所以，查询式程序会停止执行，所以，查询式I/OI/O方式不可能是微方式不可能是微型计算机外设工作的最佳选择，不适用于实时监控系型计算机外设工作的最佳选择，不适用于实时监控系统统 三、中断方式输入输出三、中断方式输入输出中断中断是外设或者其他中断源中止是外设或者其他中断源中止CPUCPU当前正当前正在执行的程序，转

24、向为申请中断的外设（或中在执行的程序，转向为申请中断的外设（或中断源）执行服务程序，一旦服务程序执行结束，断源）执行服务程序，一旦服务程序执行结束，必须返回到被中断程序的断点处，接着执行原必须返回到被中断程序的断点处，接着执行原来的程序来的程序运用中断控制方式实现外设数据的输入运用中断控制方式实现外设数据的输入输出，完全可以解决查询式输入输出存在输出，完全可以解决查询式输入输出存在的问题。在中断控制方式下，所有的的问题。在中断控制方式下，所有的I/OI/O设备都可以工作在主动请求设备都可以工作在主动请求CPUCPU为该外设为该外设服务的状态下，一旦一个或多个外设申请服务的状态下，一旦一个或多个

25、外设申请中断服务，则中断服务，则CPUCPU根据各根据各I/OI/O设备预先被设设备预先被设置的中断优先级别，逐个予以响应，并进置的中断优先级别，逐个予以响应，并进行中断处理、中断返回，实现中断处理的行中断处理、中断返回，实现中断处理的全过程全过程 2个中断源中断过程的示意图个中断源中断过程的示意图 中断控制方式的输入输出是微机中常用的中断控制方式的输入输出是微机中常用的一门技术，采用中断技术后，一门技术，采用中断技术后，CPUCPU能与所有能与所有的外设并行工作，能及时服务外设，并处的外设并行工作，能及时服务外设，并处理系统异常情况，从而可以提高微机的整理系统异常情况，从而可以提高微机的整体

26、性能，提高计算机的运行速度。体性能，提高计算机的运行速度。四、直接存储器存取（四、直接存储器存取（DMADMA）方式）方式1 1什么是什么是DMADMA？DMADMA（Direct Memory AccessDirect Memory Access）即直接存储器）即直接存储器存取方式，是指在专门的存取方式，是指在专门的DMADMA控制器的控制下实现控制器的控制下实现外围设备与内存储器直接交换数据的一门接口技外围设备与内存储器直接交换数据的一门接口技术。在这种方式下，数据传输不经过术。在这种方式下，数据传输不经过CPUCPU，传送的，传送的速度速度 就只取决于存储器和外设的工作速度就只取决于存储器和外设的工作速度。在在这种方式下，数据传输不经过这种方式下，数据传输不经过CPUCPU，传送的速度就，传送的速度就只取决于存储器和外设的工作速度只取决于存储器和外设的工作速度 微型计算机在一般情况下，由微型计算机在一般情况下，由CPUCPU管理数据管理数据总线、地址总线以及控制总线，当系统有总线、地址总线以及控制总