微型計算機(jī)和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸.ppt

第6章 微型計算機(jī)和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸,通過本章的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握接口電路的基本概念、接口電路的主要功能、兩種I/O端口的編址方式、32位微處理器采用I/O編址的譯碼、微處理器與I/O設(shè)備數(shù)據(jù)傳送的查詢式輸入輸出方式以及中斷方式輸入輸出 熟悉32位微處理器保護(hù)模式下的I/O空間，直接存儲器存?。―MA）方式以及I/O處理器控制方式,教學(xué)目的和教學(xué)要求,重點： I/O端口的編址方式 CPU與I/O設(shè)備數(shù)據(jù)傳送的查詢式輸入輸出方式以及中斷方式輸入輸出 難點： 微處理器與I/O設(shè)備數(shù)據(jù)傳送的幾種方式,本章重點、難點,6.1 接口及接口技術(shù),6.1.1 接口電路的概述 所謂接口就是微處理器與外圍設(shè)備之間的連接電路，它是兩者之間進(jìn)行信息交換時的必要通路，不同的外設(shè)有不同的輸入/輸出接口電路。例如，鍵盤輸入有鍵盤接口電路，CRT顯示器有顯示器輸出接口電路，打印機(jī)也有打印輸出接口電路等等 微型計算機(jī)系統(tǒng)的各類接口如圖6-1所示,圖6-1 微型計算機(jī)各種接口框圖,I/O接口是位于系統(tǒng)與外設(shè)間、用來協(xié)助完成數(shù)據(jù)傳送和控制任務(wù)的邏輯電路 PC機(jī)系統(tǒng)板的可編程接口芯片、I/O總線槽的電路板（適配器）都是接口電路,什么是I/O接口（電路）？,微機(jī)的外部設(shè)備多種多樣 工作原理、驅(qū)動方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差別很大 它們不能與CPU直接相連 必須經(jīng)過中間電路再與系統(tǒng)相連 這部分電路被稱為I/O接口電路,為什么需要I/O接口（電路）？,處理微機(jī)系統(tǒng)與外設(shè)間聯(lián)系的技術(shù) 注意其軟硬結(jié)合的特點 根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的需要，使用和構(gòu)造相應(yīng)的接口電路，編制配套的接口程序，支持和連接有關(guān)的設(shè)備,什么是微機(jī)接口技術(shù)？,6.1.2 接口電路的主要功能,設(shè)備選擇功能 數(shù)據(jù)緩沖功能 接收和執(zhí)行CPU命令的功能 寄存外設(shè)狀態(tài)的功能 信號的轉(zhuǎn)換功能 數(shù)據(jù)寬度變換的功能 可編程功能,6.1.3 接口技術(shù)的發(fā)展及分類,微型計算機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展，基本上是與微處理器的發(fā)展同步進(jìn)行的。按照接口技術(shù)與接口隨著微處理器的發(fā)展，可將接口電路分為四類: 固定式接口電路 可編程接口電路 智能接口與通用外圍接口 功能接口板,一、固定式接口電路,早期的微處理器多采用PMOS工藝，集成度低，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與指令系統(tǒng)均比較簡單，受半導(dǎo)體工藝的限制，接口芯片的集成度也不高，大都采用TTL與MSI工藝，計算機(jī)接口由小規(guī)?；蛑幸?guī)模集成電路組合而成，要改變其功能與工作方式必須改變硬件連線才能實現(xiàn)，將這種簡單接口電路稱之為固定式接口電路,二、可編程接口電路,16位微處理器（例如8086CPU）的出現(xiàn)，使微型計算機(jī)的發(fā)展進(jìn)入了第二代，第二代微處理器采用了NMOS工藝，集成度明顯提高，Intel公司推出的與此相適應(yīng)的接口芯片有中斷控制器8259A，并行I/O接口芯片8255A，定時/計數(shù)器82538254，DMA控制器8237A以及串行通信接口芯片8250等，這些芯片都是采用NMOS工藝的大規(guī)模集成（LSI）芯片，而且都是可編程的接口芯片，用戶可以通過對接口芯片的在線編程，方便靈活地改變接口的工作方式,三、智能接口與通用外圍接口,Intel公司于1985年首次推出第三代微處理器80386，1989年又推出X86系列的第四代微處理器80486，這時代的芯片大都是采用了NMOS或CMOS工藝的超大規(guī)模集成（VLSI）芯片。與此相應(yīng)，也開發(fā)出了大批集成度更高的接口器件。這一時期接口芯片的顯著特點是應(yīng)用了單片機(jī)作通用接口，使接口電路智能化 智能化接口集單片機(jī)技術(shù)與接口技術(shù)于一體，可直接與外圍設(shè)備相連，它是一種結(jié)構(gòu)與功能接近于CPU的專用控制器，有獨立的指令系統(tǒng)，通過編寫完整的I/O管理程序和預(yù)處理程序，來實現(xiàn)對許多外設(shè)頻繁的I/O進(jìn)行管理，從而減輕了CPU管理I/O設(shè)備的負(fù)擔(dān)，大大提高了微機(jī)系統(tǒng)的運行速度,四 、功能接口板,由于微型計算機(jī)使用了各種統(tǒng)一的總線標(biāo)準(zhǔn)，例如：ISA、PCI、SCSI、USB等各種總線，因而從電氣特性、機(jī)械特性及通信協(xié)議等方面都已標(biāo)準(zhǔn)化，開發(fā)商已為各種總線開發(fā)出了不同功能的專用接口板，可供用戶選購，例如：PCI總線的ADC和DAC功能板，PCI的網(wǎng)卡，基于PCI的RS-232串行通行卡等,6.2 I/O端口的編址方式,端口是接口電路中能被CPU直接訪問的寄存器的地址。由于有的寄存器寄存的二進(jìn)制信息專門用來被CPU讀取，有的寄存器用于專門接收CPU發(fā)出來的數(shù)據(jù)，因此，被CPU訪問的寄存器的地址分為輸入端口和輸出端口，故稱為I/O端口 微機(jī)給接口電路中的每個寄存器分配一個端口，即給每個寄存器分配一個地址，當(dāng)CPU訪問這些寄存器時，通過執(zhí)行I/O指令，由I/O指令中給出的地址就從地址總線上發(fā)出去，經(jīng)接口電路中的地址譯碼器譯碼后，便可以選中I/O指令中所指定的寄存器進(jìn)行R/W訪問,6.2.1 兩種I/O端口的編址方式,一、統(tǒng)一編址 從內(nèi)存空間劃出一部分地址空間留給I/O設(shè)備編址，CPU把I/O端口所指的寄存器當(dāng)作存儲單元進(jìn)行訪問，直接用訪問內(nèi)存的指令訪問I/O寄存器，這種I/O端口的編址方式被稱之為統(tǒng)一編址，或稱為存儲器映像的I/O編址方式,優(yōu)點：不需要設(shè)立專門的I/O指令，用訪問內(nèi)存的指令就可以訪問外設(shè)，指令類型多，功能齊全，還可以對端口進(jìn)行算術(shù)運算，邏輯運算以及移位操作等。I/O端口空間不受限制 缺點：是I/O端口占用了內(nèi)存空間，減少了內(nèi)存容量,統(tǒng)一編址優(yōu)缺點,二、專門的I/O編址方式,接口電路中所有的I/O端口統(tǒng)一編址，而所有I/O端口建立的地址空間與內(nèi)存地址空間是兩個獨立的地址空間，也常稱這種方式為獨立編址方式,優(yōu)點：不占用內(nèi)存空間，使用專門I/O指令訪問I/O端口，I/O速度快 缺點：CPU的引腳上必須具有能區(qū)分出訪問內(nèi)存還是訪問I/O端口的信號，作為I/O接口電路中端口譯碼電路以及存儲器片選譯碼電路的輸入信號,專用I/O編址的優(yōu)缺點,6.2.2 保護(hù)模式下的I/O空間,在實地址模式下，80486CPU采用存儲器映像I/O編址方式訪問I/O端口時，I/O端口占有物理地址從0地址開始的1MB存儲空間中的任意地址，在實模式下，采用專門I/O編址方式時，占用0地址開始的64KBI/O地址空間中任意地址,當(dāng)80486CPU運行在保護(hù)模式下，用存儲器映像的I/O編址方式尋址，I/O端口可以被映像到物理地址從0地址開始的4GB存儲空間中任意地址（0000 0000HFFFF FFFFH），而采用專門I/O編址方式，I/O尋址的地址空間是從0地址開始的64KB（0000 0000H0000 FFFFH）I/O地址空間中任意地址,32位機(jī)在保護(hù)模式下，CPU對以上兩種I/O尋址方式提供不同的保護(hù)機(jī)制 對于存儲器映像I/O的保護(hù)由存儲器分段與分頁保護(hù)機(jī)制完成，同時還要避免使用系統(tǒng)數(shù)據(jù)緩沖地址空間被映像來作為I/O操作地址 對于專用的I/O編址方式，只有當(dāng)前的特權(quán)級（CPL）大于或等于I/O特權(quán)級（IOPL）時，即此時的CPL值必須小于或等于IOPL的數(shù)值，I/O指令才能被執(zhí)行，反之，則I/O指令將不被執(zhí)行，相應(yīng)還要產(chǎn)生一個普通的保護(hù)故障,在保護(hù)模式下，32位機(jī)任務(wù)狀態(tài)段（TSS）中的I/O允許位，提供了另一種保護(hù)機(jī)制。I/O允許位中的每一位分別與一個8位的I/O端口相對應(yīng)。當(dāng)執(zhí)行I/O操作時，雖然當(dāng)前的特權(quán)級（CPL）大于或等于I/O特權(quán)級（IOPL），但CPU要檢查I/O允許位中與該I/O端口對應(yīng)的那一位，若該位為1，則禁止當(dāng)前I/O操作的形成，若為0，則允許形成當(dāng)前的I/O操作 在虛擬8086模式下，所有的I/O操作均要受I/O允許位的限制,6.2.3 32位微處理器采用I/O編址的譯碼電路,一、8位數(shù)據(jù)端口與低8位數(shù)據(jù)線的連接,二、8位數(shù)據(jù)端口與32位數(shù)據(jù)線的連接,例如： MOV DX，3E0H IN AL，DX ； BE0* 有效，只讀端口 IN AX，DX ； BE1* 、BE0*有效， ；讀端口1與讀端口 IN EAX，DX ； BE3* BE0*均有效， ；讀端口3端口,6.3 CPU與I/O設(shè)備數(shù)據(jù)傳送的幾種方式,6.3.1 I/O接口電路的基本結(jié)構(gòu) 一、I/O接口電路的連接,二、I/O接口電路中的基本寄存器,I/O接口電路中一般具有三種類型的基本寄存器，它們是用于存取數(shù)據(jù)的寄存器，存取命令信息的寄存器以及存取外設(shè)所處狀態(tài)的寄存器,習(xí)慣上把這些寄存器稱為端口 1、數(shù)據(jù)端口 2、命令端口 3、狀態(tài)端口,1數(shù)據(jù)端口,用于中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)信息。一種情況是CPU通過數(shù)據(jù)總線，將待傳送給外設(shè)的數(shù)據(jù)先傳送到數(shù)據(jù)端口，然后由I/O設(shè)備通過與I/O接口電路相連接的數(shù)據(jù)線取得該數(shù)據(jù) 另一種情況是I/O設(shè)備首先將輸入數(shù)據(jù)鎖存于數(shù)據(jù)端口，然后，CPU通過數(shù)據(jù)端口將該數(shù)據(jù)讀入CPU中。數(shù)據(jù)端口一般既有輸出寄存器（或稱輸出鎖存器），又有輸入寄存器（或稱輸入鎖存器）,2、命令端口,用于傳送對I/O設(shè)備的命令信息。CPU將命令信息通過數(shù)據(jù)總線寫入I/O接口電路的命令寄存器中，然后傳送到I/O設(shè)備，以便控制外設(shè)的操作。它由輸出寄存器組成，命令端口是一個輸出端口,3、狀態(tài)端口,用于傳送外設(shè)所處的狀態(tài)信息。狀態(tài)端口是輸入端口，CPU通過讀取狀態(tài)端口的數(shù)據(jù)，以此了解外設(shè)當(dāng)前所處的工作狀態(tài)，比如，如果是輸入設(shè)備，則可以通過狀態(tài)信息了解輸入設(shè)備是否有了等待輸入的新數(shù)據(jù)，如果是輸出設(shè)備，CPU通過讀入的狀態(tài)信息，可以了解輸出設(shè)備是否作好了接受CPU傳送新數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。顯然，1bit的狀態(tài)信息可以反應(yīng)1個外設(shè)的兩種狀態(tài)，1個8位的狀態(tài)端口則可以反應(yīng)外設(shè)的8個狀態(tài)信息,總之，I/O接口電路中一般有數(shù)據(jù)端口、命令端口以及狀態(tài)端口，每個端口地址是不相同的，CPU均通過數(shù)據(jù)總線來傳送三種端口的數(shù)據(jù)。有些I/O接口中，還有中斷控制邏輯電路，以便外設(shè)與CPU之間以中斷方式進(jìn)行輸入或輸出，其優(yōu)點是可以提高CPU的工作效率,6.3.2 CPU與I/O設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的幾種方式,CPU以及I/O設(shè)備的種類繁多，CPU與I/O設(shè)備所構(gòu)成的系統(tǒng)不可能完全相同，CPU與I/O設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)的方式也不完全相同，接口電路的結(jié)構(gòu)與功能也不同，驅(qū)動程序也不相同 一般可以劃分為五種傳輸數(shù)據(jù)的方式：無條件I/O傳送方式、查詢式輸入輸出方式、中斷控制方式、DMA方式以及I/O處理器控制方式,一、無條件輸入輸出方式,無條件輸入輸出方式是一種最簡單的輸入/輸出控制方式，其I/O接口電路及軟件比較簡單，所有的操作均由執(zhí)行程序來完成 特點：輸入接口電路總是準(zhǔn)備好了等待輸入給CPU的數(shù)據(jù)，輸出接口電路總是準(zhǔn)備好了接受來自CPU的數(shù)據(jù)。CPU無須查詢I/O設(shè)備是否準(zhǔn)備就緒，直接用匯編語言或高級語言編程，實現(xiàn)輸入或輸出操作 此種方式的接口電路是查詢式輸入輸出方式接口電路的基礎(chǔ),IOR*與IOW*的產(chǎn)生,無條件輸入接口電路及輸入時序,無條件輸出接口電路及輸出時序,二、查詢式輸入輸出方式,1查詢式輸入方式,當(dāng)CPU采用查詢方式從外設(shè)讀取數(shù)據(jù)時，CPU必須首先從狀態(tài)端口查詢外設(shè)的數(shù)據(jù)是否已經(jīng)準(zhǔn)備好，確認(rèn)已準(zhǔn)備好后，才能執(zhí)行一次數(shù)據(jù)輸入操作,例：假設(shè)狀態(tài)端口與數(shù)據(jù)端口的地址分別為300H和301H，狀態(tài)信息從數(shù)據(jù)總線上的D0位讀入CPU中，查詢式輸入程序段如下： MOV DX，300H ； 狀態(tài)口地址傳送給DX ABC：IN AL，DX ； 讀入狀態(tài)信息 TEST AL，01H ； AL01H，影響ZF標(biāo)志 JZ ABC ； 如果狀態(tài)信息為0轉(zhuǎn)ABC MOV DX，301H； 數(shù)據(jù)端口地址傳送給DX IN AL，DX ； 讀入數(shù)據(jù)信息,2查詢式輸出方式,當(dāng)CPU采用查詢方式向外設(shè)輸出數(shù)據(jù)時，CPU必須首先從狀態(tài)端口查詢外設(shè)是否已經(jīng)作好了接受CPU數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，若沒有準(zhǔn)備好，則要繼續(xù)查詢，若準(zhǔn)備好了，CPU便執(zhí)行一次數(shù)據(jù)輸出操作,例：假設(shè)狀態(tài)端口與數(shù)據(jù)端口的地址分別為3FOH和3F1H，狀態(tài)信息從數(shù)據(jù)線上D7位讀入CPU中，查詢式輸出程序段如下： MOV DX，3F0H ； 狀態(tài)口地址傳送給DX CBA：IN AL，DX ； 讀入狀態(tài)信息 TEST AL，80H ； AL80H，影響ZF標(biāo)志 JZ CBA ； 如果狀態(tài)信息為0則轉(zhuǎn)CBA MOV DX，3F1H ； 數(shù)據(jù)端口地址傳送給DX MOV AL，SI ； 從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)給AL OUT DX，AL ； 向數(shù)據(jù)口輸出數(shù)據(jù),6.3.2 CPU與I/O設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的幾種方式,例【6-1】 一個查詢式A/D轉(zhuǎn)換的基本結(jié)構(gòu)。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，常采用查詢式輸入方式來實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。運用這種A/D轉(zhuǎn)換方式，也能滿足大多監(jiān)測與控制的實際需要。查詢式A/D轉(zhuǎn)換的基本結(jié)構(gòu)圖如圖6-10,查詢式A/D轉(zhuǎn)換的基本結(jié)構(gòu)圖,設(shè)A/D轉(zhuǎn)換為8位，而且假設(shè)、及的地址分別是302H、301H以及300H，如果要順序采集CH0與CH1兩道模擬信號，各采集100次，并將所采集的數(shù)據(jù)分別存入內(nèi)存數(shù)據(jù)段內(nèi)起始位置為0000H和1000H的內(nèi)存空間，編寫如下程序段： MOV SI，0000H ；存放采集CH0數(shù)據(jù)的起始地址傳送給SI MOV DI，1000H ；存放采集CH1數(shù)據(jù)的起始地址傳送給DI MOV CX, 0064H BGN: MOV DX，300H ；y0* 通道地址給DX MOV AL，00000000B,OUT DX，AL ； 啟動信號=0，選CH0 MOV AL，00001000B OUT DX，AL ； 啟動信號=1，仍選通CH0 MOV AL，00000000B OUT DX，AL ； 啟動信號=0，仍選通CH0 MOV DX，301H ； 狀態(tài)口地址給DX ABC： IN AL，DX TEST AL,80H JZ ABC ； 如果EOC=0繼續(xù)查詢,MOV DX，302H ； 數(shù)據(jù)口地址給DX IN AL，DX ； 讀入轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量 MOV SI，AL ； CH0通道數(shù)字量存入內(nèi)存 INC SI MOV DX，300H ； 選通道地址給DX MOV AL，0000 0001B OUT DX，AL ； 啟動信號=0，選CH1 MOV AL，0000 1001B OUT DX，AL ； 啟動信號=1，仍選通CH1 MOV AL，0000 0001B,OUT DX，AL ； 啟動信號=0，仍選通CH1 MOV DX，301H ；狀態(tài)口地址給DX CBA：IN AL，DX TEST AL，80H ；讀入EOC值 JZ CBA ； 如果EOC=0，轉(zhuǎn)CBA MOV DX，302H ；數(shù)據(jù)口地址給DX IN AL，DX ； 讀入CH1通道轉(zhuǎn)換后數(shù)字量 MOV DI，AL ；CH1通道數(shù)字量存入內(nèi)存 INC DI LOOP BGN,3查詢式輸入輸出方式存在的問題,從圖6-11可以看出，當(dāng)CPU與I/O設(shè)備之間采用查詢式輸入輸出方式交換數(shù)據(jù)時，CPU必須順序查詢每一個外設(shè)，當(dāng)某一個外設(shè)不需要服務(wù)時，CPU也得按順序查詢一次。外設(shè)總是處于被動狀態(tài)，CPU無法快速響應(yīng)外設(shè)要求及時服務(wù)的請求。CPU為了服務(wù)外設(shè)，其它程序會停止執(zhí)行，所以，查詢式I/O方式不可能是微型計算機(jī)外設(shè)工作的最佳選擇，不適用于實時監(jiān)控系統(tǒng),三、中斷方式輸入輸出,中斷是外設(shè)或者其他中斷源中止CPU當(dāng)前正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)向為申請中斷的外設(shè)（或中斷源）執(zhí)行服務(wù)程序，一旦服務(wù)程序執(zhí)行結(jié)束，必須返回到被中斷程序的斷點處，接著執(zhí)行原來的程序,運用中斷控制方式實現(xiàn)外設(shè)數(shù)據(jù)的輸入輸出，完全可以解決查詢式輸入輸出存在的問題。在中斷控制方式下，所有的I/O設(shè)備都可以工作在主動請求CPU為該外設(shè)服務(wù)的狀態(tài)下，一旦一個或多個外設(shè)申請中斷服務(wù)，則CPU根據(jù)各I/O設(shè)備預(yù)先被設(shè)置的中斷優(yōu)先級別，逐個予以響應(yīng)，并進(jìn)行中斷處理、中斷返回，實現(xiàn)中斷處理的全過程,圖6-12 2個中斷源中斷過程的示意圖,中斷控制方式的輸入輸出是微機(jī)中常用的一門技術(shù)，采用中斷技術(shù)后，CPU能與所有的外設(shè)并行工作，能及時服務(wù)外設(shè)，并處理系統(tǒng)異常情況，從而可以提高微機(jī)的整體性能，提高計算機(jī)的運行速度。有關(guān)中斷技術(shù)的詳細(xì)內(nèi)容請看第7章,四、直接存儲器存?。―MA）方式,1什么是DMA？ DMA（Direct Memory Access）即直接存儲器存取方式，是指在專門的DMA控制器的控制下實現(xiàn)外圍設(shè)備與內(nèi)存儲器直接交換數(shù)據(jù)的一門接口技術(shù)。在這種方式下，數(shù)據(jù)傳輸不經(jīng)過CPU，傳送的速度 就只取決于存儲器和外設(shè)的工作速度。在這種方式下，數(shù)據(jù)傳輸不經(jīng)過CPU，傳送的速度就只取決于存儲器和外設(shè)的工作速度,微型計算機(jī)在一般情況下，由CPU管理數(shù)據(jù)總線、地址總線以及控制總線，當(dāng)系統(tǒng)有DMA請求時，C