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第第5章章 微型计算机和外设的数据传输微型计算机和外设的数据传输本章重点本章重点:接口电路的功能接口部件和I/O端口CPU和外设之间的三种数据传输方式、各自优缺点和使用场合中断传输方式的原理和可屏蔽中断的响应过程DMA方式的原理和DMA控制器的功能 5.1 为什么要用接口电路为什么要用接口电路（1）接口电路按功能可分为两类:使微处理器正常工作所需的辅助电路输入输出接口电路:（2）为什么要用接口电路5.2 CPU和输入输出设备之间的信号和输入输出设备之间的信号 CPU和输入输出设备之间有以下几类信号和输入输出设备之间有以下几类信号:（1）数据信息,又分为：数字量 模拟量 开关量（2）状态信息（3）控制信息 5.3 接口部件的接口部件的I/O端口端口 数据端口 状态端口 控制端口或命令端口 外设通过接口和系统的连接外设通过接口和系统的连接 端口地址一个双向工作的接口芯片通常有4个端口 n数据输入端口和状态端口是“只读”的n数据输出端口和控制端口是“只写”的数据输入端口、数据输出端口对应一个端口地址。CPU对这个端口地址读操作，肯定从数据输入端口读数据 CPU对这个端口地址写操作，肯定是往数据输出端口写数据状态端口和控制端口也对应同一个端口地址。5.4接口的功能以及接口的功能以及在系统中的连接在系统中的连接 接口的功能 接口与系统的连接 一个接口的基本功能：n在系统总线与外设之间传输信号，提供信号的缓冲，满足接口两边的时序要求。n从广义看，接口的功能：1.寻址功能2.输入/输出功能3.数据转换功能4.联络功能5.中断管理功能6.复位功能 7.可编程功能8.错误检测功能1.寻址功能寻址功能2.输入输出功能输入输出功能 根据读写信号判断传输方向 传输数据、控制和状态信息3.数据转换功能数据转换功能 把CPU的并行数据转换成一些外设所需的串行数据；把外设的串行信息转换成并行数据送往CPU。4.联络功能联络功能 当数据传送完后，能通知CPU。5.中断管理功能中断管理功能 发送中断请求和接收中断响应 发送中断类型号 优先级管理功能。6.复位功能复位功能 接收复位信号7.可编程功能可编程功能 可以用软件使其工作于不同的方式 用软件来设置控制信号 8.错误检测功能错误检测功能 当前多数可编程接口芯片能检测下列两类错误：传输错误 覆盖错误5.4.2 接口与系统的连接接口与系统的连接 接口可分为两个部分 和I/O设备相连 这部分和I/0设备传输要求及数据格式有关。所以各接口 互不相同和系统总线相连 因为接口都是连在同一总线上，所以各接口电路结构都 非常类似。把控制信号翻把控制信号翻译成联络信号译成联络信号把地址信号翻把地址信号翻译成片选信号译成片选信号决定数据决定数据传输方向传输方向M/#IO信号信号参与译码参与译码一个接口通常有若干个寄存器可以被读写，使用时，一般用1或2个低位地址结合读写信号实现对寄存器寻址。例：一个接口有2个可读寄存器A,B 2个可写寄存器C,D写信号写信号 读信号读信号A0 被访问的寄存被访问的寄存器器 010A 011B 100C 101D5.5 CPU和外设之间的数据传送方式和外设之间的数据传送方式 解决定时问题的三种传送方式：程序方式 中断方式 DMA方式 5.4.1 程序方式程序方式 1.无条件传送方式无条件传送方式 图图 无无条条件件传传送送方方式式的的工工作作原原理理2.条件传送方式条件传送方式（1）条件传送的概念）条件传送的概念（2）条件传送的三个环节：）条件传送的三个环节：CPU从接口中读取状态字从接口中读取状态字CPU检测状态字检测状态字传送数据传送数据查询式输入的接口电路查询式输入的接口电路 查询式输出的接口电路查询式输出的接口电路 查查询询式式输输入入过过程程的的流流程程图图查询式输入输出方式的实例查询式输入输出方式的实例题目要求：从终端往缓冲区输入1个字符行，当遇到回车符（0DH）或字符行超过80个字符时输入结束，并自动加上1个换行符（0AH）。如果在输入的81个字符中未见到回车符，则在终端上输出信息“BUFFER OVERFLOW”循环程序的基本结构循环程序的基本结构一个循环程序是由以下4个部分组成的：1.循环初始化部分。一般包括：I.循环计数器初始化。II.地址指针初始化。III.所用的寄存器和内存单元初始化。2.循环体：完成循环工作的主要部分。3.循环参数修改部分：为下一次循环做准备。4.循环控制部分：设置退出循环的条件。8.1 循环程序的基本结构循环程序的基本结构初始化部分处理部分修改部分控制部分循环结束循环未结束直到型循环初始化部分处理部分修改部分控制部分循环结束循环未结束当型循环循环程序的结构循环程序的结构初始化部分处理部分处理部分修改部分控制部分循环结束循环未结束循环结束后处理初始化部分处理部分修改部分修改部分控制部分循环结束循环未结束循环结束后处理初始化部分处理部分修改部分控制部分控制部分循环结束循环未结束循环结束后处理初始化部分处理部分修改部分控制部分循环结束循环未结束循环结束后处理循环结束后处理假设：1.采用偶校验采用偶校验 2.端口的地址端口的地址 3.状态寄存器的状态寄存器的D1,D0位意义位意义n如果系统中有多个利用查询方式输入输出的设备，通常采用轮流查询方式轮流查询方式检测接口的状态位。n轮流查询方式，通过程序的优先级决定设备的通过程序的优先级决定设备的优先级。优先级。n如果系统中有多个利用查询方式输入输出的设备，但设备具有等同的地位，即没有优先级，采用循环查询方式循环查询方式检测接口的状态位。5.4.2 中断方式中断方式 1.中断传送方式的原理中断传送方式的原理 为什么使用中断传送方式？为什么使用中断传送方式？查询式传送方式：查询式传送方式：（1）降低了）降低了CPU的工作效率的工作效率（2）在多外设系统，不具备实时性，）在多外设系统，不具备实时性，不能在实时系统使用不能在实时系统使用而中断传送方式而中断传送方式提高了提高了CPU工作效率，具备实时性。工作效率，具备实时性。中断传送方式原理中断传送方式原理所谓中断传送方式，即 当外设准备好后，外设接口便主动向CPU发“中断请求”信号。CPU响应这样这一请求，中断CPU的工作，使CPU停止执行当前程序，去执行一个数据输入输出的程序，此程序称为中断处理子程序 或中断服务子程序。中断子程序执行完毕，CPU返回执行原来的程序断点继续执行。优点：点：（1）不用反复查询外设的工作状态。（2）CPU和外设并行工作利用中断方式进行数据输入时所用的基本接口电路的工作原理 注意点：注意点：n中断传输方式，一般采用外部中断（具有实时性）n发出中断请求的中断请求的硬件为外设的接口电路硬件为外设的接口电路 n中断请求进入CPU的引脚：NMI和INTR 可可屏屏蔽蔽中中断断的的响响应应和和执执行行2.中断优先级问题的解决中断优先级问题的解决(1)解决中断优先级的三种办法：软件查询方式 简单硬件方式菊花链法专用硬件方式(2)三种方法的优缺点 专用硬件方式n中断控制器的组成：见图典型的可编程中断控制器典型的可编程中断控制器 n中断类型寄存器和中断屏蔽寄存器是可中断类型寄存器和中断屏蔽寄存器是可编程的，编程的，n当前中断服务寄存器可以用软件控制当前中断服务寄存器可以用软件控制n优先级排列方式可以通过指令设置优先级排列方式可以通过指令设置n优点：使用灵活优点：使用灵活n缺点：硬件复杂缺点：硬件复杂5.4.3 DMA方式方式 1.DMA传送方式的提出传送方式的提出和程序方式相比，中断传送方式大大提供和程序方式相比，中断传送方式大大提供CPU的工作效率。的工作效率。但：但：（1）每进行一次数据传送，要保存现场，占用CPU时间（2）每进入一次中断,以及从中断返回，指令队列都要清空，CPU并行工作机制失效（3）传输时是按字节或字进行传输的，需要CPU执行指令实现主机与外设的传输输入设备输入设备输出设备输出设备CPU内存内存DMA传送方式传送方式基本思想基本思想:在存储器和外设之间建立起直接的数据传送通路，即不经由不经由CPU，而由专门的专门的DMA控制器控制器实现存储器和外设（如磁盘）之间成批传送数据操作。因此特别适合于高速度大批量数据传送的场合。但是，这种方式要增设DMA控制器，硬件电路比前两种方式更为复杂。DMA传送方式的优点传送方式的优点（1）按数据块传输（2）外设利用专用的接口电路直接和存储器高速传输，不经过CPU。不需要保护现场。缺点：缺点：硬件更复杂 问题：问题：(1)数据传送需AB、DB、CB的参与；(2)通常情况下，AB、DB、CB由CPU控制。解决解决：(1)设置直接数据控制器DMAC。当需要DMA时，由DMAC提供内存 的地址、数据串长度和必要的控制信号。(2)外设在需要进行DMA传送数据时，向DMAC发出DMA请求。然后DMAC向CPU提出HOLD总线请求。CPU响应后，发HLDA响应给DMAC，并将总线暂交DMAC管理。当DMAC接收到HLDA后就可以接管总线，进行DMA传送。DMAC完成数据串传送后撤销HOLD请求，CPU恢复对总线的控 制。DMA传传输输单单个个数数据据(输输出出过过程程)的的原原理理 2.DMA控制器的功能和原理控制器的功能和原理DMA控制器的功能：控制器的功能：向向CPU发总线请求信号发总线请求信号 实行对总线的控制实行对总线的控制 修改所用的修改所用的 存储器或接口的地址指针存储器或接口的地址指针 发读写控制信号发读写控制信号 存放数据长度存放数据长度 交还总线控制权交还总线控制权从接口往内存传输一个数据块的过程：从接口往内存传输一个数据块的过程：接口往DMA控制器发一个DMA请求 得到总线控制权 地址寄存器的内容送地址总线 通知接口将数据送到数据总线 数据送到所指单元 地址寄存器的值加1 字节计数器的值减1 如字节计数器的值不为0，则回到;否则结束 DMA控控制制器器的的内内部部最最小小配配置置和和接接口口要要求求从图看出，从图看出，n地址总线：接口的地址线单向，地址总线：接口的地址线单向，DMA控制器控制器双向双向?n数据总线：双向，既连到接口，也连到数据总线：双向，既连到接口，也连到DMA控制器控制器 既然只有接口才能和内存传送数据，既然只有接口才能和内存传送数据，为什么为什么DMA控制器还要与数据总线控制器还要与数据总线相联相联?DMA传输对接口的要求：传输对接口的要求：控制寄存器有1位指出数据传输方向 控制寄存器有1位用来启动I/O操作 状态寄存器有1位指出设备当前是否处于忙状态 DMA传输对传输对DMA控制寄存器的要求：控制寄存器的要求：有1位作为DMA允许位 有1位用来确定DMA方向 有1位决定进行一次传输后放弃还是维持对总线的控制权 状态寄存器有1位表示数据块传输是否结束对对DMA控制器和接口部件预置的信息：控制器和接口部件预置的信息：往DMA控制器的字节计数器设置初值 往DMA控制器的地址寄存器中设置地址初值 对DMA控制器设置控制字并启动DMA操作 对接口部件设置控制字并启动I/O操作 根据图5.11n假设：假设：INTSTAT代表接口的状态寄存器代表接口的状态寄存器 INTCON 代表代表 接口的控制寄存接口的控制寄存 DMACON 代表代表DMA控制器的控制寄存器控制器的控制寄存器 BYTE_REG代表代表DMA控制器的字节计数器控制器的字节计数器 ADD_REG 代表代表DMA控制器的地址寄存器控制器的地址寄存器n则：则：INTSTAT的第的第2位位 I/0设备的忙位设备的忙位 INTCON 的第的第0位位 数据传输方向，为数据传输方向，为1,输入；为输入；为0,输出输出 INTCON 的第的第2位位 接口的允许位，为接口的允许位，为1,启动启动I/0操作操作 DMACON 的第的第0位位 传输方向控制，为传输方向控制，为1,输入；为输入；为0,输出输出 DMACON 的第的第3位位 DMA控制器允许位，为控制器允许位，为1,可接收可接收DMA请求请求 DMACON 的第的第6位位 如两次如两次DMA传输之间，传输之间，DMA控制器放弃对控制器放弃对 总线的控制，则为总线的控制，则为0；否则为；否则为1启动数据块输入的例子启动数据块输入的例子IDLE:IN AL,INTSTAT;检测设备是否处于 忙状态，如是，则等待 TEST AL,04 JNZ IDLE MOV AX,COUNT ;设置计数 OUT BYTE-REG,AX LEA AX,BUFFER ;设置地址初值 OUT ADD-REG，AX MOV AL，DMAC;取原DMA控制字OR AL，49H;设置方向、块传输;和允许标志OUT DMACON,AL;置DMA控制字MOV AL，INTC ;设置接口的传输方向;及允许标志OR AL，05HOUT INTCON,AL ;设置接口的控制字 数据块传输结束后，需要后续处理数据块传输结束后，需要后续处理 n传输结束标志 DMA控制器的状态寄存器有一个传输结束标志位，置1 同时，DMA控制器从引脚上送出一个传输结束信号。n对数据块传输结束的后续处理 n如由主程序主程序来完成，主程序可以通过对状态位的检测判断数据块传输是否结束，决定是否转入后续处理。n如由中断处理程序中断处理程序完成，需要将DMA控制器输出的结束信号作为中断请求信号，中断请求信号，可以送到 总线控制逻辑电路 接口如果一个如果一个DMA控制器连接几个接口控制器连接几个接口几个接口同时执行数据库传输，需要DMA控制器内部要增加某些寄存器的数目：n对应于每个接口的地址寄存器和字节计数器n对应于每个接口的DMA允许位控制寄存器规定一些标志位n指出哪些接口完成DMA传输 状态寄存器规定一些标志位 程序通过对状态位的检测确定哪个接口完成DMA传输n对接口进行优先级排队优先级排队电路3.DMA控制器的工作特点控制器的工作特点 n是一个接口电路 n能够控制系统总线,操纵外设和存储器之间的数据传输nDMA传输方式与程序传送、中断传送的区别：n程序传送、中断传送，都是由程序传送、中断传送，都是由CPU执行输入输出指令实现与外执行输入输出指令实现与外设的数据传输。设的数据传输。nDMA控制器传输数据不用指令，而是通过硬件电路，数据不经控制器传输数据不用指令，而是通过硬件电路，数据不经过过CPU，而是直接在外设和存储器之间传输。，而是直接在外设和存储器之间传输。5.4.4 输入输出过程中提出的几个问题输入输出过程中提出的几个问题 1.系系统统如如何何知知道道接接口口已已准准备备好好数数据据等等待待CPU提提取取或者准备接收或者准备接收CPU的数据的数据?2.当当系系统统中中有有几几个个设设备备处处于于同同一一种种传传输输方方式式之之下下、而而且且同同时时发发传传输输请请求求时时，系系统统到到底底先先响响应应哪哪个请求个请求?3.缓冲区缓冲区
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