微机原理与接口技术PPT第七章

第七章输入和输出技术

知识概述

第一节接口技术第二节数据传输方式第三节DMAC接口：CPU与外设间的中间电路。接口分类基本接口：8259，8237，8254通用接口：8255，8251专用接口：键盘接口，显示器接口7.1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、I/O接口的主要功能

1.I/O设备选择功能；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、I/O接口的典型结构1．内部组织１）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：CPU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I/O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。接口引脚根据其连接的对象又分为面向CPU一侧的信号和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。三、I/O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I/O指令；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。2）缺点：I/O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、哪些指令是访问外设，所以程序不易阅读。2.I/O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I/O指令，所以程序清晰易读；因为I/O接口的地址空间独立且—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。CPU需设置专门的控制信号，区分存储器与端口访问。7.2输入/输出传送方式

一、程序方式即用输入、输出指令，控制信息传送的方式。1.无条件输入/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/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：a>CPU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Ａ>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。Ｂ>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。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CPU执行中断服务程序来完成的，每次I/O操作都需要几十甚至几百微秒三、DMA方式1、概念数据在I/O接口与存储器之间传送时，不经CPU的干预，而是在专用硬件电路的控制下直接传送，这种方法称为直接存储器存取(DirectMemoryAccess，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：a>CPU将DB、AB和相应的CB均置为高阻态b>CPU向DMAC发出总线响应信号(HLDA)。(5)DMAC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。数据传送过程不要CPU介入，只用一个总线周期，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，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、I/O处理机方式

专门处理输入/输出的协处理器。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，然后通知协处理器来读取。协处理器读得操作控制信息后，能自动完成全部的I/O操作。如图所示7.3DMA控制器

7.3.1

DMA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I／O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。7.3.2DMA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、8237A的内部结构8237A的内部结构由以下三个基本部分组成：

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。微机原理与接口技术1.与CPU相连的引脚A3~A0：低8位地址线的低4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。A7~A4：低8位地址线的高4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。D7~D0：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，表示访问存储器的高8位地址A15~A8。IOR：I/O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,HLDA二、8237A的外部引脚2.与外设相连的引脚DREQ3~DREQ0：DMA请求信号，输入、有效电平可由工作方式命令字确定。DACK3~DACK0：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

存储器的传送。3.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；CPU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、8237A可编程寄存器1.方式字格式如图所示。2.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。请求寄存器就是用于由软件来产生的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.屏蔽字记录各通道的DMA请求是否被允许，如图所示。5.状态字格式如图所示。四、8237A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A3～A0地址线的不同状态编码来完成。CS＝0，表示访问该8237DMAC芯片；

A3＝0，表示访问某个地址寄存器或字节计数器，并由A2～A1编码状态给出通道号；