微机与外设的数据传输《计算机组成原理》省公开课金奖全国赛课一等奖微课获奖课件

第三章微机与外设数据传输第一节接口基本概念使用接口电路原因接口电路分类和功效接口电路基本结构I/O端口编址方式第二节CPU与输入/输出设备之间信号第三节CPU和外设之间数据传送方式程序方式中止方式DMA方式11/34第一节接口基本概念一、使用接口电路原因

接口可起到串并转换作用接口可起到模数/数模转换作用接口对I/O过程起到缓冲和联络作用22/34二.接口电路分类和功效1.接口概念I/O接口包含接口电路和接口技术两部分。接口电路普通指通用接口芯片，泛指全部接口。接口技术则指接口电路应用设计。33/34外设必须经过接口电路与CPU相连接数据总线控制总线地址总线数据线控制线状态线接口电路外部设备数据输入/输出存放器控制存放器状态存放器44/342.接口电路分类

按通用性分为两类：通用接口：可供各种外部设备使用标准接口，目标是使微机正常工作；通用接口通常制造成集成电路芯片，称为接口芯片。最初IBM-PC使用了6块接口芯片：8284、8288、8255、8259、8237、8253以后微机将这些芯片集成为大规模集成电路芯片，称为芯片组。如82430TX芯片组，由两片芯片组成：北桥：82439TX南桥：82371AB专用接口：为某种用途或某类外设而专门设计接口电路，目标在于扩充微机系统功效。专用接口通常制造成接口卡，插在主板总线插槽上使用。通用接口和专用接口界限并不严格。55/34

接口芯片分成硬步线逻辑接口芯片可编程接口芯片可编程接口芯片功效能够由指令来控制。

按可编程性分为两类：66/34P.2283.接口电路功效简单地说，一个接口基本功效是在系统总线和I/O设备之间传输信号，提供缓冲作用，以满足接口两边时序要求。下面从广义角度概括一下接口功效：输入/输出功效数据转换功效联络功效中止管理功效可编程功效复位功效错误检测功效77/34三.接口电路基本结构控制命令逻辑电路状态设置和存放电路数据存放和缓冲电路88/34四.I/O端口编址方式I/O端口与存放单元统一编址I/O端口独立编址PC系列机采取I/O端口独立编址方式Port65535Port255Port3Port2Port1Port0Port0(16位)Port1(16位)Port0(32位)99/34把端口地址放在DX存放器中，对该端口进行读写MOVDX,0FFDHIN AL,DXOUTDX,AL——可寻址端口号为0~65535(FFFFH)端口地址小于或等于FFH(255)，能够用马上数表示端口地址INAL,42HOUT43H,AL端口寻址1010/34第二节CPU输入/输出设备之间信号为了说明CPU和外设之间数据传送方式，应先了解CPU和I/O设备之间信号分类。数据信息数字量模拟量开关量状态信息控制信息1111/34第三节CPU和外设之间数据传送方式接口电路控制数据信号传送，这种传送操作是在CPU监控下实现。对于CPU而言，数据传送就是输入输出操作，控制接口传送操作有三种方式：程序方式无条件传送方式条件传送方式（查询方式传送）中止方式（程序中止控制I/O方式）DMA方式（DMA控制I/O方式）1212/34一.程序方式

程序方式传送是指在程序控制下进行信息传送，又可分为无条件传送和条件传送方式。1.无条件传送方式若程序员能够确信一个外设已经准备就绪，那就无须查询外设状态而进行信息传输，这称为无条件传送方式。在无条件传送方式下，程序设计较简单。这种方式用得较少，只用在对一些简单外设操作，如开关、七段显示管等。1313/34①无条件传送输入例子：MOV DX,160HIN AL,DX1414/34②无条件传送输出例子MOVDX,160HMOVAL,[BX]OUTDX,AL1515/34一.程序方式2.条件传送方式（查询方式传送）CPU经过执行程序不停读取并测试外设状态，依据外设工作状态控制外设输入/输出，即查询方式。对于条件传送方式来说，一个数据传送过程由3个步骤组成：CPU从接口中读取状态字CPU检测状态字对应位是否满足“就绪”条件，假如不满足，则回到前一步读取状态字。如状态字表明外设已处于“就绪”状态，则传送数据。1616/34①查询式传送输入例子：1717/34电路原理分析： 开启ADC以后，转换结束时产生EOC信号，把转换结果锁存至锁存器，把状态触发器置为1，表示数据已经准备好。控制端口——写164H端口，译码器输出和IOW信号同时有效，开启ADC转换。状态端口——读162H端口，译码器输出和IOR信号同时有效，打开经过D0读取状态信息。数据端口——读160H端口，译码器输出和IOR信号同时有效，打开三态缓冲器，从D7~D0读入数据，同时去除状态信息。负脉冲1818/34程序示例：从ADC读取一个数据到AL。READ： MOVDX,160H INAL,DX ；清状态 MOVDX,164H OUTDX,AL ；开启ADCREAD1： MOVDX,162H INAL,DX ；查询状态 TESTAL,1 JZREAD1 MOVDX,160H INAL,DX ；读取数据 RET1919/34②查询式传送输出例子：2020/34电路原理说明：1、写到164H端口，产生一个负脉冲来开启外设开始工作。2、写数据到160H端口，CPU输出数据到锁存器，同时置“1”状态触发器，为外设提供状态信息：“数据已准备好”。3、读取162H端口，CPU查询状态，看外设是否取走数据。（外设取走数据，则将发出ACK信号，去除状态触发器）2121/34程序示例：将AL中数据输出。WRITE：MOVDX,164HOUTDX,AL ；开启外设MOVDX,160HOUTDX,AL ；输出数据MOVDX,162HWRITE1:INAL,DX ；查询状态TESTAL,1JNZWRITE1RET2222/34多个外设查询方式流程图主程序开启外设A、B、C查询A操作结束否?查询B查询C继续主程序设备A服务YN设备B服务Y设备C服务YNNNY2323/34查询方式特点经过查询实现CPU与外设间同时联络接口电路简单CPU使用率不高，用CPU等候实现与外设同时2424/34二.中止方式（程序中止控制I/O方式）中止方式：当外设作好传送准备后，主动向CPU请求中止，CPU响应中止后在中止处理程序中与外设交换数据。若外设未准备好，CPU能够执行其它程序，提升了CPU利用率。每条指令完成后，CPU均可响应中止，所以当设备准备好时，可及时与CPU交换数据，提升了实时性。被外界中止时，程序中下一条指令所在处称为断点。中止传送方式就是外部设备中止CPU工作，使CPU停顿执行当前途序，而去执行一个数据输入/输出程序（该程序称为中止处理子程序或中止服务子程序）。中止子程序执行完成后，CPU又转回来执行原来程序。2525/34中止I/O普通过程a.数据传送b.中止响应c.中止请求CPU接口外设2626/34中止优先级处理方法（1）软件查询方式这种方式借助于简单硬件电路。优点：省硬件，不需要有判断优先级硬件排队电路，而是用程序优先级来确定设备优先级。缺点：由设备发出中止请求信号到CPU转入对应服务程序入口时间较长，尤其是在中止源较多时，查询程序段较长，转入服务程序所花时间较长。2727/34中止优先级处理方法（2）简单硬件方式——菊花链法CPU以及总线控制逻辑INTAINTR设备1接口菊花链逻辑电路中止回答中止请求设备1接口菊花链逻辑电路中止回答中止请求设备1接口菊花链逻辑电路中止回答中止请求2828/34菊花链逻辑电路中止回答中止请求INTAINTR2929/34中止优先级处理方法（3）专用硬件方式在微机系统中处理中止优先级管理最惯用方法是采取可编程中止控制器。在8086系统中多用8259。可编程中止控制器中中止类型存放器、屏蔽存放器都是可编程，当前中止服务存放器也能够用软件进行控制，而且中止优先级管理电路优先级排列方式也是经过指令来设置，所以可编程中止控制器使用起来很灵活方便。3030/34DMA=DirectMemoryAccess——直接存放器访问什么是DMA方式？DMA方式是一个由专门硬件电路执行I/O数据传送方式，它能够让外设与外设之间、外设与内存之间直接进行高速数据传送，而无须经过CPU。这种专门硬件电路称为DMA控制器，简称DMAC。三.DMA方式（DMA控制I/O方式）3131/34原理示意图外设接口存放器CPUINOUTMOV[BX],ALMOVAL,[BX]输出输入读写请求与应答DMAC3232/34三种传送方式在查询方式下，经过程序来检测接口中状态存放器中READY位，以确定当前是否能够进行数据传输。在中止方式下，当接口中已经有数据要往CPU输入或者准备好接收数据时，接口会向CPU