微机与外设的数据传输

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章,输入输出及其接口,本章学习要求,：,了解,输入输出接口的基本结构，掌握计算机,与外设之间进行数据传送的3种基本输入输出方,法及对输入输出接口的要求,。,1,5.1 为什么要用接口电路,一,、,CPU,与外设间的连接,接口概念,计算机通过外围设备同外部世界通信或交换数据称为,“输入输出”。,把外围设备同微型计算机连接起来实现数据传送的控制,电路称为“外设接口电路”，,简称“外设接口”,。(介于主机和,外设之间的一种缓冲电路称为,I/O,接口电路)。,2,CPU,与外设的连接不能向,CPU,同存储器的连接那样，直接挂在总线上，而必须通过,输入/输出接口,电路来连接，才能实现对外设的有效控制和管理。,数据总线,（,DB,）,控制部线,（,CB,）,地址总线,（,AB,）,中央处理,器,CPU,内存储器,I/O,接口,I/O,接口,I/O,设备,I/O,设备,3,二、为什么要用接口电路,MEM,I/O,设备,不,同,点,品种有限,品种繁多,功能单一,功能多样,传送方式单一,传送规律不同,与,CPU,速度匹配,与,CPU,速度不匹配,易于控制,难于控制,结论,可与,CPU,直接连接,需经过,I/O,电路与,CPU,连接,原因：,存储器与外设的不同,I/O,接口电路作用：,起隔离、锁存、记忆、变换作用,4,接口电路种类很多：,总线控制器（8288芯片）,时钟发生器（8284,A,芯片）,总线裁决器（8289芯片）,通用接口电路,（如8251、8255、8253、8237、8259、74,LS244/245、74LS273、74LS374/373,等）,专用接口（如电平转换接口、,A/D,和,D/A,转换器等）,接口芯片有两类,:,一是,可编程芯片,，二是简单芯片。,种类：,5,5.2,CPU,和外设之间的接口信息,接口电路的基本结构同它传送信息种类有关。接口与外设之间的信号可分为三类：, 数据信息, 状态信息, 控制信息,6,5.2,CPU,和输入/输出设备之间的信号,7,5.2,CPU,和输入/输出设备之间的信号,8,5.2,CPU,和输入/输出设备之间的信号,9,5.3 接口部件的,I/O,端口,每个接口部件都包含一组寄存器,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，一般称这些,寄存器,为,I/O,端口,，每个端口有一个,端口地址,，8086可寻址外设的端口地址为64,K。,有了端口地址，,CPU,对外设的输入/输出操作归结为对,接口芯片,各,端口,的读/写操作。,10,5.3 接口部件的,I/O,端口,应该指出：,不管是输入还是输出，所用到的地址总是对,端口,而言的，而不是对,接口部件,而言的。,11,选择接口时应注意：,输入端口必须采用具有三态门控制的芯片：,输入数据时，因简单外设输入数据的保持时间相对于,CPU,的接收速度来说,较长,，故输入数据时通常,不,用加,锁存器,来锁存，而直接使用,三态缓冲器,与,CPU,数据总线,相连，,起隔离作用，可避免总线竞争,。如74,LS244,等。,输出端口必须使用锁存器：,输出数据时，一般都需要,锁存器,将要输出的数据保持一段时间，其长短和外设的动作相适应。锁存时，在锁存器允许端,CE（,为无效电平）时，数据总线上的新数据不能进入锁存器。只有当确知外设已经取走,CPU,上次送入的数据，方能在,CE=0,电平时将新数据再送入锁存器保留。如：74,LS373/74LS374(,带三态门)，74,LS273,等。,为什么单独的三态门只能做输入接口，而不能做输出接口；单独的锁存器的作用正好与其相反？,12,图,a,13,接口的地址为：,FF08H,FF09,图,b,14,图,c,CP,15,CPU,与外设之间的数据传送方式，概括起来,有如下三种：,程序传送方式,程序中断方式,DMA,方式,+,5.4,CPU,和外设之间的数据传送方式,16,程序传送方式,程序传送方式是指,CPU,与外设间的数据交换,在程序控制（即,IN,或,OUT,指令控制）下进行。,又分为：,无条件传送方式,条件传送方式,。,17,无条件传送（又称同步传送）是一种,不需要查询外设的状态,而可,直接进行传送信息,的一种传送方式。,这种传送方式只对固定的外设（如开关、继电器、七段显示器、机械式传感器等简单外设）在固定时间用,IN,或,OUT,指令来进行信息的输入或输出，其,实质,是用程序来定时同步传送数据。对少量数据传送来说，是最省时间的一种传送方法，适用于各类巡回检测和过程控制,。,一、无条件传送方式,18,19,二、条件传送方式,条件传送也称为,查询方式,传送。用条件传送方式时，,CPU,通过执行程序不断,读取并测试外设的状态,，如果外设处于,准备好,状态（对输入设备）或,空闲,状态（输出设备）则,CPU,执行,输入,（,IN,指令）或,输出,（,OUT,指令）指令与外设交换信息。,可见，对于条件传送，一个数据的传送过程由3个环节组成：即,CPU,从,接口,中读取,状态字。,CPU,检测状态字的对应位是否满足,“就绪”,条件，如不满足转,如表明外设,已处于“就绪”,状态，则,传送数据,。,20,1,. 查询方式输入,21,1,. 查询方式输入,22,2,. 查询方式输出,23,2,. 查询方式输出,24,3,. 查询方式应用举例,8个输入模拟量，经过多路开关 它由,端口4,输出的3位二进制码(,D2、D1、D0）,控制（000相应于,UA0,输入、111相应于,UA7,输入），每次送出一个模拟量至,A/D,转换器；同时,A/D,例1,25,3,. 查询方式应用举例,转换器由,端口4,输出的,D4,位,控制启动和停止。,A/D,转换器的,READY,信号由,端口2,的,D0,输至,CPU,数据总线；经,A/D,转换后的数据由,端口3,输入至数据总线。,26,27,28,29,30,例2,利用具有三态输出的锁存器（74,LS374）,作为,输出接口，接口地址为00,F8H,，,若前图,a,输入接,口的,bit3、bit4,和,bit7,同时为1,时，将,DATA,为,首地址的10个内存数据连续由输出接口输出；,若不满足条件则等待，试编程序。,注：输入接口用前面的图,a，,其接口地址为87,F7H。,根据此例要求，,即主要是查询接口地址为87,F7H,的输入接口的状态，确定是否输出10个数据,根据给定的接口地址，其输出接口硬件连接图如下所示,31,32,程序段如下：,TDATAP：MOV DX，SEG DATA,MOV DS，DX,MOV SI，OFFSET DATA,MOV CX，10,L1: MOV DX，87F7H,IN AL，DX,AND AL，98H,CMP AL，98H,JNE L1,MOV DX，00F8H,L2： MOV AL，SI,OUT DX，AL,INC SI,LOOP L2,HLT,；判断是否同时为1,D,7,D,6,D,5,D,4,D,3,D,2,D,1,D,0,1 0 0 1 1 0 0 0,98,H,33,4. 系统与多个外设连接时的数据传送,当系统与多个外设连接并利用,查询方式,进行数据的输入/输出时，可以有两种方法：,（1）利用轮流查询的方式来检测接口的状态位。,这种查询方式，可以通过,程序,的,优先级,来决定,设备,的,优先级,。根据这样的思想，可根据各外设的轻重缓急，给外设安排一个优先级链。,34,（,2）利用循环查询的方式来检测接口的状态位。,这种查询方式使几个外设处于,完全等同,的地位，即没有优先级。,例如：见教材,P,160,程序所示,4. 系统与多个外设连接时的数据传送,35,1. 为何要采用中断方式,可使,CPU,与外设并行工作，消除等待时间，提高,CPU,的工作效率和提高系统中多台外设的工作效率。,2. 中断的工作原理,对于中断传输过程，为了具有实时性能，一般,采用外部中断。,有两个引脚：,NMI：,非屏蔽中断,INTR：,可屏蔽中断,中断传送方式,36,中断响应过程,（,INTR,）,由,INTA,连续送两个负脉冲,，从数据总线上读取中断向量码,保护断点,：,将,PSW,入栈,清除,IF、TF,标志,将,CS、IP,入栈,得到中断服务程序入口地址,：,IP （n,4),CS (n,4+2),保护现场,：,用一系列,PUSH,命令将中断服务程序中用到,的一些寄存器值保护起来。,CS：IP,IN AL，PORT,中断服务,OUT PORT，AL,IRET（SP+6）,37,1,1,READY,“1”,R,INTR,38,3,. 中断优先级问题的解决,微型计算机系统中对中断优先级采用以下三种方法来解决：即,软件查询方式,P,164,图,6-10,和程序,简单硬件方式,菊花链法,专用硬件方式,中断控制器,39,1.,DMA,传送的提出,利用中断传送方式，虽可提高,CPU,的工作效率，但对于高速外设以及成组交换数据的场合，显得太慢，不能满足要求。,原因：,仍需,CPU,通过,程序,来实现数据传送，并在处理中断时，还要,“保护断点、标志”、“保护现场”和“恢复现场”,。,是按,字或字节,来进行传输的。,为了解决这个问题，实现按,数据块,传输，就需要改变传,输方式，这就是直接存储器传输方式，即,DMA,方式,。,DMA,传送方式,（即直接存储器传输方式）,40,2. DMA,传送的含义,DMA（Direct Memory Access),方式或称为数据通道方式是一种由,专门的硬件电路,执行,I/O,交换的传送方式，它使,外设接口,可,直接,与,内存,进行高速的数据传送，而不必经过,CPU,，,这样就不必进行保护现场之类的额外操作，可实现对存储器的直接存取。这种专门的硬件电路就是,DMA,控制器，简称为,DMAC,。,DMA,传送方式,（即直接存储器传输方式）,41,CPU,外设,存储器,总线,：,执行程序指令的数据传送路径,：,DMA,方式的数据传送路径,图为两种不同的传送路径,42,3. 几种不同形式的,DMA,传送,在,DMAC,的控制下，可实现如下三种形式的高速数据传送。,内,存,外,设,内,存,内,存,外,设,外,设,输出,输入,DMAC,输出,输入,DMAC,输出,输入,DMAC,43,4.,DMA,传,送,的,原,理,HOLD,HLDA,44,4.,DMA,控制器的工作特点,是一个接口电路，因为它也有,I/O,端口地址。,能够控制系统总线，可以提供一系列控制信号，像,CPU,一样操纵外设和存储器之间的数据传输，所以,DMA,控制器又不同于一般的接口电路。,DMA,控制器控制的数据传输不同于其它方式的传输；它在传输数据时,不用指令,，而是通过硬件逻辑电路用固定的顺序发地址和用读/写信号来实现高速数据传输，,CPU,完全不参与，数据也不经过,CPU，,而是直接在外设和内存之间传输。,45,1.三种基本输入输出方式,即程序直接控制方式、程序中断控制方式和存储器直接存取（,DMA),方式。它们,传送信息的速度依次越来越快,，其,传送效率也越来越高,，但其,实现和管理的复杂性也越来越高,。,程序直接控制和中断控制传送方式下的信息传送是通过,IN,和,OUT,指令实现的，,DMA,方式则在存储器与外设之间架起直接访问的通路，因此与,CPU,的,IN、OUT,指令无关，其存储速度是芯片的速度。,总结:,46,2.系统与接口部件之间的通信联络,在查询方式下，是通过程序来检测接口中状态寄存器中的,“准备好”（,READY),位，来确定当前是否可以进行数据传输；,在中断方式下，当接口中已经有数据要送往,CPU,或准备好接收数据时，,接口会向,CPU,发一个外部中断请求,，,CPU,在得到中断请求后，如果响应中断，便通过运行中断处理程序来实现输入/输出；,在,DMA,方式下，外设要求传输数据时，,接口会向,DMA,控制器发请求信号,，,DMA,控制器转而往,CPU,发送一个总线请求信号，以得到总线的控制权，如果得到,DMA,允许，那么，就可以在没有,CPU,参与的情况下实现,DMA,传输。,结束,47,