第8章 微型计算机接口技术概述和直接存储器访问.ppt

1、微型计算机原理与接口技术,主 编 何 超,中国水利水电出版社,掌握输入/输出接口电路、输入/输出端口的基本 概念、分类。 掌握CPU与外设数据传送的方式方法。 掌握DMA的基本概念、可编程DMA控制器芯片 8237A的结构、应用及编程方法。,第8章 微型计算机接口技术概述和直接存储器访问,一 微机接口的基础知识,1、概念 接口（Interface），是指微处理器（CPU）与存储器、I/O设备等外部世界通过总线进行连接的逻辑部件（或称电路），它是CPU与外界进行信息交换的中转站。 源程序或原始数据要通过接口从输入设备（如键盘）进来，运算结果要通过接口向输出设备（如显示器、打印机）送出； 控制命令

2、通过接口发出，现场状态通过接口取进，这些来往信息都要通过接口进行变换与中转。,（一）微机接口概念、类型及功能,2、类型 微机接口的分类方法有多种，按功能分，有三种基本类型：运行辅助接口、用户交互接口和传感控制接口。 （1）运行辅助接口 运行辅助接口是和主机配套的，使微机实现最基本功能所需的接口。 （2）用户交互接口 用户交互接口，是把用户指定的数据发送给主机系统或从主机系统接收数据的接口电路。它主要指通用的输入/输出（I/O）控制接口。 （3）传感和控制接口。 微机控制系统通过传感接口接收检测对象、控制对象的状态和数据，在进行处理后通过控制接口执行。,上面讨论的第二种，即用户交互接口中的主要部

3、分“通用的输入/输出（I/O）控制接口” 又可按如下情况分类： 按与外设数据的传送方式分：并行I/O和串行I/O接口等。 按通用性分：有专用接口和通用接口。 按时序控制方式划分，可分为同步接口与异步接口。,本章主要讨论输入/输出（I/O）控制接口。,3、功能 CPU与外部设备（简称外设）之间的接口一般都具有如下功能： （1）输入输出功能 接口被选中时，能将外设的数据或状态信息传送到数据总线上，或从数据总线上接收CPU发来的数据或控制信息，再转发给外设。 系统中一般带有多种I/O设备，同一种I/O设备也可能有多台，而CPU在同一时间只能与一台I/O设备交换信息，这就要借助接口的地址译码以选定I/

4、O设备。 （2）数据寄存和缓冲功能 CPU的速度很快，而外部设备的速度相对较慢，为了解决这两者速度不匹配的问题，接口中一般会提供缓冲功能，设置数据寄存器或锁存器，将数据在输入/输出接口中缓存起来，从而起到缓冲、隔离和锁存的作用，避免因速度不一致而丢失数据。,（3）信号转换功能 I/O设备大都是复杂的机电设备，其电气信号电平也较复杂，需要用接口电路来完成信号电平与格式转换。 （4）对I/O设备的控制与状态检测功能 接口电路接收CPU送来的命令或控制信号，实施对I/O设备的控制与管理。I/O设备的工作状态以状态字或应答信号通过接口返回给CPU。很多情况下，系统还需要I/O接口能够检测和纠正信息传输

5、过程中引入的错误。常见的有传输线路上噪声干扰导致的传输错误以及接收和发送速率不匹配导致的覆盖错误。,（5）中断或DMA管理功能 为了满足实时性，以及主机与I/O设备并行工作的要求，需要采用中断传送的方式，为了提高传送的速率，有时又采用DMA（直接存储器访问）的传送方式，这就要求接口有产生中断请求和DMA请求的能力，以及中断和DMA管理的能力。 （6）可编程功能 现在的芯片大多数是可编程的，这样在不改变硬件的情况下，只需要修改程序就可以改变接口的工作方式，大大增加接口的灵活性和可扩充性，使接口向智能化方向发展。 （7）复位功能 接收复位信号，从而使接口本身以及所连接的外设进行重新启动。,4、通用

6、的输入/输出（I/O）接口电路的结构,接口电路的内部通常是由数据寄存器、状态寄存器和控制寄存器和相应的控制逻辑电路构成。,I/O接口是一以IC芯片或接口板形式出现电子电路,其内有若干专用寄存器和相应的控制逻辑电路构成。 为了能让CPU能够对众多的端口进行正确的访问，就要求每个I/O端口都必须有确切的地址号，就是所谓的I/O接口的编址（寻址）问题。,（二）输入/输出接口的编址方式,1输入/输出接口的编址方式,（1）I/O端口与内存储器统一编址 在这种方式下，把一个I/O端口看作存储器的一个单元，即I/O端口占用存储区中的一个或几个地址号。 思考：优点？ 缺点？ （2）I/O端口单独编址 I/O端

7、口地址区域和存储器地址区域分开单独编址。 思考：优点？ 缺点？,外部设备与微机之间的信息传送，实际上是CPU与接口之间的信息传送。如前所述，当外设和存储器统一编址时，所有用于访问存储器的指令都可用来访问I/O端口；当外设单独编址时，访问I/O端口另有专门的I/O指令（IN或OUT指令）。 CPU与外设接口之间的信息传送的同步控制方式有程序查询方式、中断传送方式、直接存储器访问（DMA）方式和I/O处理机方式。,二 CPU和外部设备的数据传输方式及汇编 语言指令格式,程序控制方式又可分为无条件传送方式和查询方式两类。 1. 无条件传送方式 无条件传送方式是一种最简单的输入/输出控制方式。该方式认

8、为外设始终是准备好的，能随时提供数据，适用于经过较长时间间隔数据才会有显著变化的情况。 实现无条件输入/输出的方法 80286和80386/80486还支持INSB/INSW和OUTSB/OUTSW指令访问端口 无条件传送方式的接口电路和控制程序,（一）程序控制方式,2. 条件传送 条件传送方式也称为查询式传送方式。 一般情况下，当CPU用输入或输出指令与外设交换数据时，由于CPU与I/O设备的工作往往是异步的，这就很难保证当CPU输入时，外设总是准备好数据；当CPU输出时，输出设备已经处在可以接收数据的状态，即外设的数据锁存器是空的。因此，在CPU传送数据前，应去查一下外设的状态，若外设准备

9、好，就进行数据传送，否则，CPU就等待。 如下图:,优点： 结构简单，只需要少量的硬件电路即可，也能较好地协调高速CPU与慢速外设的时间匹配问题； 缺点： 当CPU与中慢速外部设备交换数据时，CPU需不断去查询外设的状态，这将占用CPU较多的时间，工作效率很低。,中断传送方式下，当外设没有作好数据传送准备时，CPU可以运行与传送数据无关的其他指令。外设作好传送准备后，主动向CPU提出申请。若CPU响应这一申请，则暂停正在运行的程序，转去执行数据输入/输出操作的指令，数据传送完后返回，CPU继续执行原来运行的程序。,（二）中断传送方式,思考：优点？ 缺点？,（三）直接存储器访问（DMA）方式,（

10、四）输入输出处理机方式,输入输出处理机方式，也称为通道方式。 为了能让CPU进一步摆脱I/O数据传送的负担，提出了输入输出处理机方式。 这种方式下，采用专门的协处理器，它不仅能控制数据的传送，而且，还可以执行算术逻辑运算、转移、搜索和转换。当CPU需要进行I/O操作时，它只要在存储器中建立一个信息块，将所需要的操作和有关的参数按照规定列入，然后通知I/O协处理器来读取。协处理器读得控制信息后，能自动完成全部的I/O操作。在这种系统中，所有的I/O操作都是以块为单位来进行的。,三 输入/输出接口逻辑电路的地址译码,（一） I/O端口地址译码,I/O端口译码时，根据不同的场合采用不同的译码方式。,

11、1当接口电路的I/O端口固定不变时，采用固定式译码电路。 2 当端口地址需根据不同的场合而改变时，采用可选式译码电路 3比较器译码法 4通用逻辑阵列GAL译码法 下面逐一介绍各方式,1. 固定式译码电路,对于单端口I/O接口电路，只需一个片选信号，此时可以采用门电路构成译码器。 若I/O接口电路配有多组I/O端口地址，I/O接口电路需要多个片选信号，则可以采用专用的译码电路实现。,可选式译码电路，可以采用跳线（DIP-Dual ln-1ine Package）或多路开关使译码电路在不同的场合输出不同 的片选信号。,2.可选式译码电路,比较器译码珐的基本思路是将比较器的一个输入端输入地址信号，另

12、一输入端接一组DIP开关。当地址总线所送的地址与DIP所设置的地址相等时，该接口被选中。这种译码电路应用非常广泛，常用的比较器有四位比较器74LS85和八位比较器74LS688。采用比较器译码法，可以通过改变DIP开关的设置，很容易地改变接口地址。这个优点在通用总线接口模块的设计中表现尤为突出。不但同一功能的模块在不同微机应用中可以被分配不同的地址，而且即使在同一微机系统中，也可通过改变DIP开关的设置而控制不同的设备，给设计带来极大的灵活性。,3.比较器译码法,（1）相关概念 ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit) 可编程逻辑器件PLD器件 通用

13、阵列逻辑器件GAL（Generic Array Logic）器件 （2） 特点 可以实现组合逻辑电路和时序逻辑电路的多种功能 集成度高 可靠性高 灵活性强 负载能力强 编程可靠性高 防抄袭 存储方便且时间长,4.通用逻辑阵列GAL译码法,（3）GAL编程步骤 根据系统逻辑要求，确定GAL芯片型号，分配好输入输出引脚，并给出逻辑表达式。 编写源程序。不同的编译软件对格式的要求有所不同，但基本原则是一样的。一般需要先定义各引脚名称(即输入输出变量名)，然后定义各个输出变量的逻辑表达式，并将这些逻辑功能输入到PC。 调入编辑软件来处理源文件，依次产生文本文件、编程单元图文件、JEDEC文件和打印文件

14、等。其中JEDEC供GAL编程时用，编程单元图供用户直观地检查表达式用。,（二） I/O端口地址译码,只有在保护虚地址模式下，才有I/O的保护功能。80X86为I/O操作提供了两种保护机制。 1. I/O特权级IOPL（I/O Privilege Level） 操作系统在CPU的扩展标志寄存器中的EFLAGS中设置IOPL字段，为每个任务指定一个I/O特权级IOPL，与I/O操作有关的指令(如IN、OUT、INS、OUTS、CLI、STI等)只有在其当前任务特权级CPL高于指定的I/O特权级(级别越高，数值越小，即CPLIOPL)时才允许执行。,（三） I/O保护,2I/O允许位映像（I/O

15、Permission Bit Map）,用任务状态段的“I/O允许位映像”控制对I/O地址空间中各具体端口的访问权限。,（一）概述DMA主要应用场合 1DMA传送的基本原理 采用DMA（Direcct Memory Access）方式传送数据时，通过计算机对一个专门的控制器DMAC控制器编程，并用一个适配器上的ROM来存储程序，这些程序控制DMA传送数据。一旦控制器初始化完成，可以脱离CPU，DMAC通过地址总线发送地址信息，利用数据总线在I/O接口与存储器之间直接传送数据，利用控制总线发布读或写命令，大大提高CPU的工作效率。并且，采用DMA方式传送数据，数据源和目的地址的修改，传送结束信号

16、以及控制信号的发送等都由DMAC（DMA控制器）硬件完成。节省了大量CPU的时间，因此大大提高了传输速度。,四 DMA传送和DMA控制器8237,2DMA数据传送的基本过程,传输的基本过程 ： （1）外设准备好数据后向DMAC发出DMA传送请求信号DREQ。 （2）DMAC经过内部的判优和屏蔽处理后，向总线仲裁机构发出总线请求信号HRQ到总线仲裁机构，请求占用总线。经总线仲裁机构裁决后，使CPU出让总线的控制权，并向DMAC发出总线响应信号HLDA，通知DMAC。 （3）DMAC接到HLDA信号后，接管总线的控制权，成为总线的主控者。 （4）DMAC向外设发出应答信号DACK，并将被访问存储单

17、元地址送地址总线，向存储器和进行DMA传送的外设发出读写命令，开始DMA传送。 （5）DMA传送结束，DMAC向外设发出低电平有效信号，并撤消对CPU的总线请求，交回系统总线的管理和控制权。,3DMA控制器的功能结构,（1）总线控制功能。 （2）具有用于提供交换数据地址的地址寄存器。 （3）具有数据块长度计数器。 （4）具有编程寄存器和状态寄存器。,Intel 8237是Intel 系列中高性能可编程DMA控制器 。 18237的结构 框图和引脚 引脚图：,（二）可编程DMA控制器Intel 8237,结构框图：,28237在PC系列机中的应用,（1） PC/XT机的DMA系统 PC/XT机的

18、DMA通道功能分配如下： 通道0用于对DRAM进行刷新操作，由8253通道1定 时发出DREQ，请求8237A-5； 通道1为同步通信保留。 通道2用于软盘DMA传输服务 通道3用于硬盘DMA传输服务 （2）PC/AT机的DMA系统 在PC/AT机中，采用两片级联方式可支持7个DMA通道。,38237的工作周期,（1）空闲周期(Idle Cycle) 当8237的任一通道都无请求时，就进入空闲周期 （2）有效周期(Active Cycle) （3）扩展写周期,4. 8237的工作方式及编程控制字,（1）8237的工作方式及其寄存器 8237的工作方式控制字的格式如图 ：,58237的初始化编程

19、举例,题目 对PC机系统的8237初始化和开机测试编程，程序中 的变量DMA地址为00H，并对8237的各通道编程， 使其工作于单一字节传送方式，地址增量，允许自 动预置，读出操作。 解答：测试方法为：先对地址为DMA+0DMA+7的8个可读写寄存器都写入FFFFH，然后将它们的值读出来，看与写入的值是否相等。再将写入值改为0000H，同样测试。测试中，如发现读出值与写入值不等，则测试不能通过,五 硬盘接口和常见微机外部接口,（一）常见微机外部实用接口,计算机中的外设都是通过主板进行连接的，所以在一块主板中会存在各种各样的外设接口，如键盘、鼠标接口、打印机接口、USB接口和IEEE 1394火

20、线接口、网线接口，以及音视频输出/输入接口等。,1. PS/2接口,PS/2接口是目前最常见的鼠标接口，最初是IBM公司的专利，俗称“小口” 。 PS/2通信协议是一种双向同步串行通信协议。,2. COM串行接口,目前大多数主板都提供了两个COM接口，分别为COM1和COM2，作用是连接串行鼠标和外置调制解调器等设备。 在早期的PC中基本都采用COM口的鼠标，但随着PS/2和USB接口的盛行，COM口技术即将被更新或者淘汰,3 LPT并行接口,LPT并行接口一般用来连接打印机或扫描仪。其默认的中断号是IRQ7，采用25脚的DB-25接头。并口的工作模式主要有三种： （1）SPP标准工作模式 （

21、2）EPP增强型工作模式 （3）ECP扩充型工作模式,4 MIDI专用接口,声卡的MIDI接口和游戏杆接口是共用的。接口中的两个针脚用来传送MIDI信号，可连接各种MIDI设备，如电子键盘等，现在市面上已很困难找到基于该接口的产品。 对于绝大多数声卡，在连接MIDI设备时需要向声卡的制造商另外购买一条MIDI转接线。,5 SCSI接口,SCSI控制器相当于一块小型CPU，有自己的命令集和缓存，能够处理大部分工作，从而减轻中央处理器的负担（降低CPU占用率）。SCSI接口的速度、性能和稳定性都非常出色，但价格也要贵一些，主要面向服务器和工作站市场。SCSI是一种连接主机和外围设备的接口，支持包括

22、 硬盘、光驱、扫描仪等在内的多种设备。,6 VGA专用接口,VGA（Video Graphics Array）接口，也叫D-Sub接口，VGA接口是显卡输出模拟信号的接口，虽然液晶显示器可以直接接收数字信号，但很多低端产品为了与VGA接口显卡相匹配，因而采用VGA接口。VGA接口是一种D型接口。 VGA接口是显卡上应用最为广泛的接口类型，绝大多数的显卡都带有此种接口,7. DVI专用接口,DVI（Digital Visual Interface）接口与VGA都是计算机中主要用于显示器信号传输的最常用的接口。DVI可以传输数字信号，不用再经过数模转换，免除显卡到显示器之间传统的两次数/模转换，避

23、免信号损失，所以画面质量非常高。 很多高清电视上也提供了DVI接口。,8 RJ-45异步串行接口,RJ-45接口通常用于数据传输，是异步串行接口，共有8芯做成，最常见的应用为网卡接口。RJ-45水晶头根据线的排序不同分为两种，一种是白橙、橙、白绿、蓝、白蓝、绿、白棕、棕；另一种是白绿、绿、白橙、蓝、白蓝、橙、白棕、棕；,9 S视频端口,S端口S-Video的全称为二分量视频接口）。它出现并发展于20世纪90年代后期，通常采用标准的4芯（不含音效）或者扩展的7 芯（含音效）。S端口连接采用Y/C（亮度/色度）分离式输出，使用4芯线传送信号，接口为4针接口。接口中，两针接地。因为分别传送亮度和色度

24、信号，S端子效果要好于复合视频。不过S端子的抗干扰能力较弱，所以S端子线的长度最好不要超过7m。,IDE接口 （1）概述 IDE是Integrated Device Electronics的简称，是一种硬盘的传输接口，由 Compaq 和 Western Digital 公司开发。 硬盘接口IDE可分为并行ATA（PATA）接口和串行ATA（SATA）接口。 通常IDE接口都位于PCI插槽下方，从空间上则垂直于内存插槽(也有横着的)。而新型主板上，IDE接口大多缩减，甚至没有，代之以SATA接口。,（二）硬盘接口,（2）IDE接口数据传输模式,PIO（Programmed I/O）模式 DMA（Direct Memory Access）模式 优化Ultra DMA模式（简称UDMA）,2.SATA接口,（1）SATA接口简介 SATA是Serial ATA的缩写，即串行ATA，是英特尔公司在2000年IDF（Intel Developer Forum，英特尔开发者论坛）上发布的将于下一代外设产品中采用的接口类型。它一改以往ATA标准的并行数据传输方式，而是以连续串行的方式传送资料。,(2) SATA的优势,1）速度快。 2）兼容性。 3）接线简单,(3) SATA 2.0串口,SATA 2.0是在SATA的基础上发展起来的。其主要特征是外部传