微机原理及接口技术PPT第七章

1、第七章第七章 输入和输出技术输入和输出技术 知知 识识 概概 述述 第一节第一节 接口技术接口技术第二节第二节 数据传输方式数据传输方式第三节第三节 DMAC接口：CPU与外设间的中间电路。接口分类接口分类基本接口：基本接口：8259，8237，8254通用接口：通用接口：8255，8251 专用接口：键盘接口，显示器接口专用接口：键盘接口，显示器接口7.1 接口技术接口技术学习接口涉及到两个基本问题： 一、是CPU如何寻址I/O设备，实现多个I/O设备的识别； 二、是CPU如何与I/O设备连接，进行数据、状态和控制 信号的交换。一、一、I/O接口的主要功能接口的主要功能 1. I/O设备选择

2、功能； 2. 对输入/输出数据进行缓冲和锁存； 3. 对数据的格式进行变换； 4. 与CPU和I/O设备进行联络； 二、二、I/O接口的典型结构接口的典型结构 1内部组织 ）端口：即接口电路中的寄存器端口：即接口电路中的寄存器。 一般设有数据口、状态口、控制口。 2）数据总线：数据总线：CPU通过其从状态口中读取当前的状态，通过其从状态口中读取当前的状态， 也可向控制口写入命令，控制也可向控制口写入命令，控制I/O设备的工作。设备的工作。 3） I/O接口的典型结构：如图7.1。2. 外部特性I/O接口是连接CPU系统和外设的桥梁，所以对其外部特性的掌握是实现I/O接口物理连接的基础。 接口引

3、脚根据其连接的对象又分为面向面向CPU一侧的信一侧的信号号和面向外设一侧的信号面向外设一侧的信号。对于面向CPU一侧的信号，一般都引出了数据线、地址线和控制线。3. 基本接口的特点1）“可编程” ：是指接口芯片的功能和工作方式可通过程序设定。2）初始化程序：对接口芯片功能和工作方式等的定义，是通过向一些寄存器写入相应的信息来完成的，这样的写入程序一般称为接口芯片的初始化程序初始化程序。三、三、I/O接口的编址方法接口的编址方法1. I/O接口的统一编址 统一编址方式也称为存储器映象I/O寻址方式，即每一个端口占一个存储单元地址。如图1）优点：不需要专门的不需要专门的I/O指令；指令；端口寻址方

4、式也就是内存的寻址方式，有利于端口寻址方式也就是内存的寻址方式，有利于I/O程序的设计程序的设计。2）缺点： I/O端口占用一部分存储器的地址空间；端口占用一部分存储器的地址空间；在程序中不容易区分哪些指令是访问存储器、哪些指令是访问在程序中不容易区分哪些指令是访问存储器、哪些指令是访问外设，所以程序不易阅读。外设，所以程序不易阅读。2. I/O接口的独立编址接口的独立编址 独立编址方式，是将存储器和I/O端口当作两个完全独立的地址空间。如图1）优点：使用了专门的使用了专门的I/O指令，所以程序清晰易读；指令，所以程序清晰易读；因为因为I/O接口的地址空间独立且接口的地址空间独立且般小于存储器

5、的存储空般小于存储器的存储空间，所以其不占用存储器的存储空间，地址译码电路相间，所以其不占用存储器的存储空间，地址译码电路相对简单。对简单。2）缺点：访问端口的指令没有访问存储器的指令丰富。访问端口的指令没有访问存储器的指令丰富。CPU需设置专门的控制信号，区分存储器与端口访问。需设置专门的控制信号，区分存储器与端口访问。 7.2 输入输入/输出传送方式输出传送方式 一、程序方式一、程序方式即用输入、输出输入、输出指令，控制信息传送的方式。1. 无条件输入无条件输入/输出输出 条件：输入/输出时，外设总是处于“准备好”状态。 硬件电路图：如图。 缺点：容易误读数据或数据丢失。2. 条件输入条件

6、输入/输出方式输出方式 程序流程：如图所示。 方式：轮流查询，即CPU主动询问每一个I/O设备，如图 优点：能较好地协调外设与CPU之间的定时关系； 缺点：aCPU需要不断查询设备的状态，这将占用CPU较多的时间； b难以满足实时控制系统对I/O工作的要求。二、中断方式二、中断方式I/O设备有输入/输出要求时，主动向CPU发出请求。1. 8086/8088CPU的中断CPU执行完每一条指令后，都会去查询外部是否有请求，若有，就暂停现行的程序，转去完成传送数据的任务。当多个外设在同一时刻提出中断请求时，就引入了所谓中断优先权管理和中断嵌套等问题。2. 优点： CPU避免了把大量时间耗费在查询状态

7、信号的操作上，使 其工作效率得以大大地提高。3. 缺点：1）很难实现系统中每一个外设都工作在最佳工作状态最佳工作状态。2）CPU需要干预，故不能满足高速磁盘控制器或高速数据采集系统是指一旦某个外设请求CPU为它服务时，CPU应该以最快的速度响应其请求。信息的传送是依靠信息的传送是依靠CPU执行中断执行中断服务程序来完成的，每次服务程序来完成的，每次I/O操作操作都需要几十甚至几百微秒都需要几十甚至几百微秒三、三、DMA方式方式1、概念数据在I/O接口与存储器之间传送时，不经不经CPU的干预的干预，而是在专用专用硬件电路的控制下直接传送，这种方法称为直接直接存储器存取存储器存取(Direct M

8、emory Access，缩写为DMA)。 为实现这种工作方式而设计的专用接口电路，称为DMA控制器(DMAC)2、DMA的工作过程：(1) 当外设准备好时，向DMAC发出DMA传送请求信号(DRQ)。(2) DMAC收到请求后，向CPU发出总线请求总线请求信号HOLD，申 请占用总线。(3) CPU在完成当前总线周期后会立即对HOLD信号进行响应。(4) DMAC收到HLDA信号后，向外设发出DMA响应信号DACK响应有两方面：响应有两方面：a CPU将将DB、AB和相应的和相应的CB均置为高阻态均置为高阻态 b CPU向向DMAC发出总线响应信号发出总线响应信号(HLDA)。(5) DMA

9、C送出地址信号和相应的控制信号，实现外设与内存或内 存与内存之间的直接数据传送。(6) DMAC自动修改地址和字节计数器，并据此判断是否需要重复 传送操作。(7) 规定的数据传送完后，DMAC就撤消发往CPU的HOLD信号。 CPU检测到HOLD失效后，紧接着撤消HLDA信号，并在下一 时钟周期重新开始控制总线，并继续执行原来的程序。图示过程：3、优点：用DMA方式传送数据时，在存储器和外部设备之间， 直接开辟高速的数据传送通路直接开辟高速的数据传送通路。数据传送过程不要CPU介 入，只用一个总线周期一个总线周期，就能完成存储器和外部设备之间的 数据传送。因此，数据传送速度仅受存储器的存取速度

10、和外 部设备传输特性的限制。4、缺点： (1) DMAC取代CPU控制了系统总线, 故当DMAC控制总线时， CPU不能读取指令。 (2) 若系统使用的是动态存储器，则在DMA操作期间，存储器 的刷新将会停止。 (3) 当DMAC占用总线时，CPU不能去检测和响应其他设备的中 断请求。 (4) 增加硬件的投资，提高系统的成本。(5) DMA方式传送的额外开销源： A总线访问时间: 由于DMAC要同CPU和其他的总线主控设备争用对系统总 线的控制权，因此，必须有一些规则来解决争用总线控制权的 问题，一般是用硬件实现排队，而排队过程要花费时间； B对DMAC的初始化: CPU要对DMAC写控制字，

11、因此，DMAC的初始化建立， 比程序控制数据传送的初始化，可能要花费较多时间。6、DMA主要适用以下几种场合: 一般要求响应时间在微秒以下的场合：硬盘和软盘I/O，快速通信通道I/O，多处理机和多程序数据块传送，扫描操作，快速数据采集，在PC/XT机中还采用DMA方式进行DRAM的刷新操作。四、四、I/O处理机方式处理机方式 专门处理输入/输出的协处理器。协处理器。 协处理器的概念 即是一个智能控制器，可以取出和执行指令，并且除了控 制数据传送外，还可以执行和逻辑运算、转移、搜索和转换。 (2) 处理I/O操作时的方式 CPU在存储器中建立一个信息块，将所需要的操作和有关 参数按照规定列入，然

12、后通知协处理器来读取。协处理器读(1) 得操作控制信息后，能自动完成全部的I/O操作。如图所示7.3 DMA控制器控制器 7.3.1 DMA的基本原理的基本原理 实现DMA传送的基本原理如图，DMA传送的基本过程如下： 第一，当IO接口准备好，希望进行DMA操作时，就向DMAC发出DMA请求信号DRQ； 第二，DMA控制器将此请求信号转变成对CPU的总线请求信号HRQ； 第三，CPU在当前总线周期执行结束，响应DMA 请求，发出总线应答信号HLDA，此时，由DMA控制器 接管对总线的控制。 第四，由DMA控制器对存储器寻址，并发出相应控 制信号（DACK、 及 ），使存储器与I/O接口之间 直

13、接交换数据。 第五，在传送一字节数据后，DMAC自动修改存储 器地址和传送字节计数器，并检测传送是否结束。 第六，DMA传送结束，DMA控制器向CPU发出结 束信号，并释放总线，使CPU重新获得总线控制，恢复 正常工作。RDWR7.3.2 DMA控制器控制器8237A 主要功能如下： 在一个片子中有4个独立的DMA通道。 每个通道的DMA请求都可以分别允许和禁止。 每个通道的DMA请求有不同的优先权。 优先权可以是固定的，也可以是循环的。 每个通道一次传送的最大长度可达64KB。 可以用级连的方法扩展通道数。 一、一、8237A的内部结构的内部结构 8237A的内部结构由以下三个基本部分组成：

14、 控制逻辑单元、缓冲器组、内部寄存器控制逻辑单元、缓冲器组、内部寄存器 其内部结构与引脚如图所示。1. 与与CPU相连的引脚相连的引脚 A3A0：低：低8位地址线的低位地址线的低4位，双向、三态位，双向、三态 当CPU控制总线时，输入，表示8237A内部寄 存器的地址信号； 当DMA操作时，输出，表示存储器的地址。 A7A4：低：低8位地址线的高位地址线的高4位，三态、输出位，三态、输出 仅用在进行DMA操作时，提供访问存储器低 字节的高4位地址。 D7D0：数据线，双向、三态。：数据线，双向、三态。 当CPU控制总线时，表示CPU访问8237A寄存 器的数据通道； 当DMA操作时，表示访问存

15、储器的高8位地 址A15A8。 IOR：I/O读信号，双向、三态、低电平有效读信号，双向、三态、低电平有效 当CPU控制总线时，输入，CPU利用它读出8237A 内部寄存器； 当DMA操作时，输出，与MEMW配合实现DMA写 操作。 MEMW, MEMR, IOW, CS, HREQ, HLDADREQ019DREQ118DREQ217DREQ316HLDA7READY6CS11CLK12RESET13A032A133A234A335A437A538A639A740D030D129D228D327D426D523D622D721DACK025DACK124DACK214DACK315AEN9A

16、DSTB8HREQ10EOP36IOR1IOW2MEMR3MEMW4VCC5VCC31VSS20二、二、8237A的外部引脚的外部引脚2. 与外设相连的引脚与外设相连的引脚 DREQ3DREQ0：DMA请求信号，输入、有 效电平可由工作方式命令字确定。 DACK3DACK0：DMA响应信号，输出、有 效电平可由工作方式命令字确定。 一般利用该信号选中某端口，实现 I/O存储器存储器的传送。3. 其它引脚其它引脚 CLK：时钟信号，输入。 RESET：复位信号，输入、高电平有效。 READY：准备好信号，输入、高电平有效 AEN：地址允许信号，输出、高电平有效。 DMA操作时，AEN=1； CP

17、U控制总线时，AEN=0。 ADSTB：地址选通信号，输出、高电平有效 EOP：过程结束信号，双向、低电平有效。 为输出时，在DMA传送期间，当字节数计数器减 至0时，使其变为低电平，表示DMA传送结束； 为输入时，当EOP端输入一个低电平时，强迫 DMA操作停止，并使内部寄存器复位。 VCC、GND：电源和接地引脚。三、三、8237A可编程寄存器可编程寄存器1. 方式字方式字 格式如图所示。2. 命令字命令字 命令字是在初始化时写入8位命令寄存器，4个通道共用，各位定义如图所示。3. 请求字请求字 DMA请求可以由I/O设备产生DREQ信号，也可以由软件 产生。请求寄存器请求寄存器就是用于由

18、软件来产生的DMA请求。存 储器到存储器的传送，一般利用软件产生DMA请求。软件 请求是不可屏蔽的，其格式如图所示。4. 屏蔽字屏蔽字 记录各通道的DMA请求是否被允许，如图所示。5. 状态字状态字 格式如图所示。四、8237A 内部寄存器的寻址内部寄存器的寻址 对8237内部寄存器的寻址和执行与控制器有关的软件命令，都由芯片选择信号CS、I/O读信号IOR、I/O写信号IOW和A3A0地址线的不同状态编码来完成。 CS0，表示访问该8237DMAC芯片； A30，表示访问某个地址寄存器或字节计数器， 并由A2A1编码状态给出通道号； A3 1，表示访问控制寄存器和状态寄存器，或正在发出一条

19、软件命令。 A00，表示访问当前地址寄存器； A01，表示访问当前字节计数器。五、五、8237的编程步骤的编程步骤 (1) 输出主清除命令； (2) 写入基址与当前地址寄存器； (3) 写入基址与当前字节数地址寄存器； (4) 写入模式寄存器； (5) 写入屏蔽寄存器； (6) 写入命令寄存器； (7) 写入请求寄存器。内存空间内存空间系统各系统各I/O端口配置地址端口配置地址供供I/O接接口使用口使用 I/O空间空间I/O端口端口0I/O端口端口1I/O端口端口2I/O端口端口N 内存空间内存空间 I/O空间空间系统各系统各I/O端口配置地址端口配置地址 I/O端口端口0 I/O端口端口1

20、I/O端口端口2 I/O端口端口N内存内存储器储器DMACCPU外设外设 HOLD =1HLDA =1 DRQ DACKDATA内存地址内存地址MEMWI/O地址地址IOR HOLD =0HLDA =0DATA内存地址内存地址MEMWI/O地址地址IOR DRQDACK(a)(b)存储器8086CPUCRT其他I/O设备软盘控制器8272数 据 与 指 令命令与状态数据命令与状态数据命令与状态命令与状态数据联 络 信 号软盘DMAC823782558250数据与指令数据与指令通道注意中断请求数据命令与状态数据命令与状态数据命令与状态软盘82728251CRT80898255其他I/O存储器80

21、86CPU控制逻辑单元控制逻辑单元缓冲缓冲器组器组存放存放DMA操作时将要操作时将要传送的字节（传送的字节（16）存放存放DMA操作时将要访操作时将要访问的存储器地址（问的存储器地址（16） 在存储器到存储器的传送方式下，在存储器到存储器的传送方式下，其保存从源存储单元读出的数据，其保存从源存储单元读出的数据，再由它写到目的存储单元再由它写到目的存储单元DMA传输类型传送方式扩展写信号选择位。扩展写信号选择位。D5=1，为扩展写信号时序，它使IOW或 MEMW的负脉冲加宽，提前一个 时钟周期有效。D5=0，为滞后写时序，IOW或MEMW 比IOR或MEMR滞后一个时钟周 期有效 DMA读传送读传送：把存储器的数据读出传送至外设。 操作时从存储器读出数据，写入外设。 DMA写传送写传送：把外设输入的数据写至存储器中。 操作时从外设输入数据，写入存储器。 DAM校验传送校验传送：这种方式实际不不进行数据传送，只是完 成某种校验过程。此时