微机原理与接口技术第五章

微机原理与接口技术2010-2011学年第二学期黄景涛Telmail:hjt.haust@Lab:10-825河南科技大学电子信息工程学院1第5章微型计算机和外设的数据传输主要内容

I/O接口电路的典型结构无条件传送方式查询传送方式中断工作过程

DMA工作原理25.1为什么要用接口电路为什么需要I/O接口（电路）？微机的外部设备多种多样工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差别很大它们不能与CPU直接相连必须经过中间电路再与系统相连这部分电路被称为I/O接口电路35.1为什么要用接口电路什么是I/O接口（电路）？I/O接口（电路）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PC机系统板的可编程接口芯片、I/O总线槽的电路板（适配器）都是接口电路CPU接口电路

I/O设备4I/O接口的主要功能⑴对输入输出数据进行缓冲和锁存输出接口有锁存环节输入接口有缓冲环节⑵对信号的形式和数据的格式进行变换微机直接处理：数字量⑶对I/O端口进行寻址⑷与CPU和I/O设备进行联络55.2CPU和输入输出设备之间的信号5.2.1数据信息

包括三种形式：数字量模拟量开关量65.2CPU和输入输出设备之间的信号5.2.2状态信息外设通过接口向CPU传送的信号如：“准备好”(READY)信号、“忙”（BUSY）信号5.2.3控制信息

CPU通过接口传送给外设的如：外设的启动信号、停止信号就是常见的控制信息注意：控制信息是CPU通过接口控制外设的与CPU控制接口的信息不同75.3接口部件的I/O端口CPU和外设进行数据传输时，各类信息在接口中进入不同的寄存器，（注意接口和端口的不同）一般称这些寄存器为I/O端口，每个端口有一个端口地址。数据端口(数据寄存器)用于对来自CPU和内存的数据或者送往CPU和内存的数据起缓冲作用。状态端口(状态寄存器)用来存放外部设备或者接口部件本身的状态控制端口(控制寄存器)用来存放CPU发出的命令，以便控制接口和设备的动作理解端口I/O接口电路的典型结构85.3接口部件的I/O端口图5.1外设通过接口和系统的连接

9I/O端口的编址接口电路占用的I/O端口有两类编排形式I/O端口单独编址I/O地址空间独立于存储地址空间如8086/8088I/O端口与存储器统一编址它们共享一个地址空间如MCS51108088/8086的输入输出指令8086有单独的输入输出指令输入指令INAL,i8/DX ;字节输入INAX,i8/DX ;字输入输出指令OUTi8/DX,AL ;字节输出OUTi8/DX ;字输出功能演示功能演示115.3接口部件的I/O端口注意：无论输入还是输出，所用到的地址总是对端口而言的，不是对接口部件而言的。为了节省地址空间，将数据输入端口和数据输出端口对应同一个端口地址。同样，状态端口和控制端口也常用同一个端口地址。CPU对外设的输入/输出操作就归结为对接口芯片各端口的读/写操作。

12I/O端口单独编址优点：I/O端口的地址空间独立控制和地址译码电路相对简单专门的I/O指令使程序清晰易读缺点：I/O指令没有存储器指令丰富80x86采用I/O端口独立编址内存空间I/O空间FFFFF0FFFF013I/O端口与存储器统一编址优点：不需要专门的I/O指令I/O数据存取与存储器数据存取一样灵活缺点：I/O端口要占去部分存储器地址空间程序不易阅读（不易分清访存和访问外设）内存部分I/O部分存储空间0FFFFF145.4CPU和外设之间的数据传送方式5.4.1程序方式用输入/输出指令，来控制信息传输的方式，分为两类：无条件传送方式条件传送方式15程序控制方式1——无条件传送方式在CPU与慢速设备交换数据时，可以认为它们总是处于“就绪”状态，随时可以进行数据传送，这即无条件传送适合于简单设备，如LED数码管、按键/按钮等无条件传送的接口和操作均十分简单传送前提——外设必须随时处于就绪状态16程序控制方式1——无条件传送方式无条件传送示例图5.3无条件传送方式的工作原理17程序控制方式2——(条件)查询传送方式CPU先了解（查询）外设的工作状态，在外设就绪（可以交换信息）的情况下实现数据的输入或输出对多个外设的情况，则CPU按一定顺序依次查询（轮询）。先查询的外设将优先进行数据交换查询传送的特点是：工作可靠，适用面宽，但传送效率低18查询传送的两个环节查询环节寻址状态口读取状态寄存器的标志位若不就绪就继续查询，直至就绪传送环节寻址数据口输入时由输入指令从数据口读入数据输出时由输出指令向数据口输出数据数据交换Y输入状态就绪？N查询式数据传送流程19查询式输入接口电路1查询式输入的接口20查询式输出接口电路1BUSYREADY0READY查询式输出的接口21查询式输入流程开始初始化测试数据是否准备好？N输入1个字节或字到CPU对数据进行处理传送到内存缓冲区操作完成否？处理缓冲区中数据后处理NYY22程序示例从终端往缓冲区输入1个字符行，当遇到回车符(0DH)或者字符行超过80个字符时，输入便结束，并自动加上1个换行符(0AH)。如果在输人的81个字符中未见到回车符，则在终端上输出信息“BUFFEROVERFLOW”。用偶校验。如果校验出错，也输出错误信息.假定接口的数据输入端口地址为0052H，数据输出端口地址为0054H，状态端口地址为0056H，并且设定如果状态寄存器中第1位为1，则表示输入缓冲器中已经有1个字节准备好，可以进行输入。此外，还设定如果状态寄存器的第0位为1，则表示输出缓冲器已经腾空，因而CPU可以往终端输出数据23程序示例

DATA_SEG SEGMENTMESSAGEDB‘BUFFEROVERFLOW’，0DH，0AHDATA_SEGENDSCOM_SEGSEGMENTBUFFERDB82DUP(?)COUNTDB?COM_SEGENDSCODE SEGMENT ASSUMEDS：DATA_SEG,ES：COM_SEG，CS：CODESTAT： MOVAX，DATA_SEG MOVDS，AX MOVAX，COM_SEG MOVES,AX MOVDI，OFFSETBUFFER MOVCOUNT,DI MOVCX，81 CLD24程序示例NEXT_IN：

INAL，56H

TESTAL，02H

JZNEXT_IN

INAL，52H

0RAL，0

JPENO_ERROR JMPERRORNO_ERROR： ANDAL，7FH STOSB CMPAL，0DH

LOOPNENEXT_IN JNEOVERFLOW MOVAL，0AH STOSB SUBDI，COUNT MOVCOUNT，DI……OVERFLOW：MOVSI，OFFSETMESSAGE

MOVCX，17NEXT_OUT：

INAL，56H

TESTAL，01H

JZNEXT_OUT

LODSBOUT54H，ALLOOPNEXT_OUT

……255.4.2中断方式程序断点主程序中断请求为外设继续执行返回断点CPU在执行程序中，被内部或外部的事件所打断，转去执行一段预先安排好的中断服务程序服务结束后，又返回原来的断点，继续执行原来的程序提供服务中断服务程序

入口中断方式数据传送流程26中断传送与接口中断传送是一种效率更高的程序传送方式。进行传送的中断服务程序是预先设计好的查询方式CPU主动，中断方式外设主动,中断请求是外设随机向CPU提出的CPU对请求的检测是有规律的：一般是在每条指令的最后一个时钟周期采样中断请求输入引脚本节主要论述中断在输入和输出方面的应用中断还有着非常广泛的应用27中断方式输入的接口电路10图5.728数据输入的过程外设准备就绪发（选通信号）STB数据入锁存器，中断请求触发器置1若没有屏蔽则产生INTRCPU满足条件（允许中断；指令执行完）发中断响应信号INTA进入中断服务子程序读数据清中断请求触发器，数据送D0～D7。（输出过程请自己思考）29可屏蔽中断的执行过程302.中断优先级问题的解决问题1：系统有多个中断请求，CPU如何识别哪个中断源发 出的请求？办法1： 向量中断（硬件）办法2： 中断查询（软/硬件结合）中断源的识别（解决谁提出服务请求的问题）312.中断优先级问题的解决问题2：有多个中断同时请求，CPU如何应对？办法1：软件查询方式办法2：简单硬件方式——菊花链法办法3：专用硬件方式中断优先级排队（解决先为谁服务的问题）322.中断优先级问题的解决问题3：中断处理过程中，又有中断提出请求，怎么办？办法1：链式优先权排队电路办法2：优先权编码电路中断嵌套33（1）软件查询方式A0～A15锁存器INTR三态缓冲器译码

8001HD0～D7中断A中断B中断C中断H……-IOR101034（1）软件查询方式35（2）简单硬件方式—菊花链法设计思想将所有的设备连成一条链，靠近CPU的设备优先级最高，越远的设备优先级别越低；若级别高的设备发出了中断请求，在它接到中断响应信号的同时，封锁其后的较低级设备使得它们的中断请求不能响应只有等它的中断服务结束以后或中断服务子程序中开中断后才允许为低级的设备服务36（2）简单硬件方式—菊花链法中断优先级菊花链及其逻辑电路(a)菊花链电路(b)菊花链逻辑电路37（3）专用硬件方式采用可编程的中断控制器芯片。如Intel8259A******385.4.3DMA传送方式1．DMA传送方式的提出希望克服程序控制传送的不足： 外设→CPU→存储器 外设←CPU←存储器直接存储器存取DMA：不经CPU，不用指令

外设→存储器（DMA写）

外设←存储器（DMA读）

扩展：外设↔

外设CPU出让系统总线（输出高阻），由DMA控制器（DMAC）接管系统总线392.DMA控制器的功能和DMA传送的原理DMA控制器应该具备的功能：当外设准备就绪，希望进行DMA操作时DMA控制器应能向CPU发总线请求信号。CPU总线请求允许，DMA控制器应能实行对总线的控制。DMA控制器得到总线控制权以后，要向地址总线发送地址信号，修改所用存储器的地址指针。在DMA传送期间，DMA控制器应能发读写控制信号。为了决定所传送的字节数，并且判断DMA传送是否结束，在DMA控制器内部必须有1个字节计数器，用来存放所传送的字节数。DMA过程结束时，DMA控制器应向CPU发出结束信号，将总线控制权交还给CPU。40DMA传送的工作过程⑴CPU对DMA控制器进行初始化设置⑵外设、DMAC、CPU，3者通过应答信号建立联系：CPU将总线暂交DMAC控制，事后再将控制权返还。⑶DMA传送DMA读：存储器

→

外设DMA写：存储器←

外设⑷DMAC的功能：对存储器寻址地址自动加1/减1计数器减1判断传送是否完成传送流程41用DMA方式单个数据传输42DMA传送流程HLDA发存储器地址传送数据传送结束？DMA结束修改地址指针YN43DMA传送（以DMA写为例）-MEMW-IOR数据总线地址总线输入设备存储器DMACCPU②③④①HOLDHLDA44DMA控制器的内部最小配置和接口要求45各传送方式的特点无条件传送：慢速外设需与CPU保持同步查询传送：简单实用，效率较低中断传送：外设主动，可与CPU并行工作，但每次传送需要额外时间开销DMA传送：DMAC控制，外设直接和存储器进行数据传送，适合大量、快速数据传送46习题与思考：

1.CPU与外设之间的数据传输控制方式有哪几种？何谓程序控制方式？它有哪两种基本方式？请分别用流程图的形式描述出来。2.试从程序转移的角度比较中断控制与子程序调用这两种处理过程，它们有哪些根本区别？又有哪些相似之处？3.用查询方式将DATA开始的存贮区的100个字节数据在0FCH端口输出，完成程序。（设状态端口地址为0FFH，最高位为1就绪)4．什么是接口？什么是端口？在8086/8088微机系统中，CPU是如何实现端口寻址的？5．简述菊花链式中断优先级排队电路的工作过程？6．中断处理的主要步骤有哪些？试说明每一步的主要动作。47教学要求1.了解I/O接口电路的主要功能、内部和外部特点、端口编址方法、I/O地址译码特点2.温习掌握输入输出指令3.掌握无条件、查询传送方式4.理解中断、中断源、中断工作过程、中断源识别、优先权排队和中断嵌套5.理解DMA传送的工作过程48I/O接口的典型结构控制总线CB地址总线ABI/O接口电路数据控制状态数据总线DBCPU外设控制寄存器状态寄存器数据寄存器返回49无条件传送：输入示例IOR三态缓冲器OEI/O装置地址译码器CSD7～D0A15～A1A00160HMOVDX,160HINAL,DX返回50无条件传送：输入实例MOVDX,160HINAL,DX74LS244+5V10Kx8G1G2数据总线CSRD返回51无条件传送：输出示例地址译码器数据锁存器A15A0～A14-IOWCS0160H输出设备D7～D0MOVDX,160HMOVAL,[BX]OUTDX,AL返回52无条件传送：输出实例MOVDX,160HMOVAL,[BX]OUTDX,AL+5V74LS373300

x8LEOE数据总线CSWR返回53无条件传送：输入输出接口K7K1K0+5VD0～D7A0～A15CLKLS06反相驱动器LS2