微机接口6IO接口

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5 .5 .2 中断方式
中断方式的接口电路
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5 .5 .2 中断方式
可屏蔽中断的响 应和执行
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2、中断优先级问题的解决
• 当系统中有多个设备用中断方式和CPU进行数据传输时，
需要解决优先级的问题，当前微机系统主要采用可编程的中 断控制器的方法
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DMA方式 5 .5 .3 DMA方式
2、DMA控制器的功能和DMA传送原理 •DMA控制 器的应具备 的功能：见 书p192
用DMA方式传输单个 数据(输出过程)
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DMA方式 5.5.3 DMA方式
• DMA控制器的内部最小配置和接口要求
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查询式输入的流程图
初始化 读状态 数据准备就绪？ 数据准备就绪？ Y 读入一个字或一个字节到CPU 读入一个字或一个字节到 处理数据 数据传送到内存缓冲区 N
传送完？ 传送完？
查询式输入数据的 程序段见书P185
N
Y 处理缓冲区中的数据 后续处理
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5.1 为什么要用接口
要构成实际的微型计算机系统， 要构成实际的微型计算机系统，除了微处理器 还需要各种接口。 外，还需要各种接口。 定义: I/O接口是设置在CPU与外设之间的一组 接口是设置在CPU 定义: I/O接口是设置在CPU与外设之间的一组 电路。其基本功能是对数据传送的控制。 电路。其基本功能是对数据传送的控制。 接口按功能分为两类： 接口按功能分为两类： • 使CPU正常工作所需要的辅助电路，使CPU CPU正常工作所需要的辅助电路 正常工作所需要的辅助电路， 得到时钟信号或接收外部的多个中断请求 • 输入/输出接口，接收外部设备送来的信息或 输入/输出接口， 发送到外部的信息。 发送到外部的信息。
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查询式输出的接口电路
M/IO WR 数据总线 +5V ACK
R D
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锁 存 器
输 出 设 备
Q C
选 通 信 号
CS2 地址 译码器 CS1
M/IO RD
CPU
地址 总线
三态 缓冲器
“BUSY”
状态信息
D1
查询式输出的接口电路：ACK有效时，CPU读入状态检查到 BUSY=0时，才执行数据输出指令。输出数据时，选通信号 ©北京工业大学计算机学院 的下沿，使D触发器的Q端置为1。
外部设备功能多种多样。 外部设备功能多种多样。 信息转换和缓冲，外部设备的信息既有数字式， 信息转换和缓冲，外部设备的信息既有数字式， 又有模拟式，即可串行， 又有模拟式，即可串行，有可并行 时序上的原因 多个外设共享总线的原因 速度的原因
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CPU和输入 和输入/ 5.2 CPU和输入/输出设备之间的信号
9Leabharlann 微机接口5 .5 CPU与外设之间的数据传输方式 CPU与外设之间的数据传输方式
I/O设备种类繁多，速度差异悬殊，CPU何时从外 I/O设备种类繁多，速度差异悬殊，CPU何时从外 设备种类繁多 设读取/写入数据，成为复杂的定时问题， 设读取/写入数据，成为复杂的定时问题，所以 CPU与I/O设备之间的数据传输可采用多种控制方 CPU与I/O设备之间的数据传输可采用多种控制方 主要有三种： 中断方式、 式，主要有三种：程序控制方式 、中断方式、 DMA方式 方式。 DMA方式。
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5.4.2 接口与系统的连接
• 典型的I/O 典型的I/O 部件和外部 电路连接图
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5.4.2 接口与系统的连接
• 用读信号、写信号和地址A0区分4个寄存器 用读信号、写信号和地址A0区分4 A0区分
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• 对DMA控制器的要求
① 控制寄存器中专有一位作为DMA允许位，控制响应接 口的DMA请求 ② 控制寄存器中须有一位用来确定DMA方向，DMA发 送读信号/写信号 ③ 控制寄存器中须有一位用来进行一次传输后，是否放 弃总线控制权 ④ 状态寄存器中须有一位用来表示数据块传输是否结束 ©北京工业大学计算机学院
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DMA方式 5 .5 .3 DMA方式
1、DMA传送方式的提出 • 中断方式比程序控制方式大大提高了CPU的利 用率，由于每完成一次数据交换，就要产生一次 中断。一次中断需要CPU处理许多额外操作，造 成效率下降。当CPU与高速外设交换信息时，中 断方式仍显得太慢。例如：和磁盘之间的数据交 换。 • 为了解决问题可采用DMA的传送方式，直接 存储器存取，由硬件直接实现数据块的传送。 • 数据不经过CPU控制传送，而由外部单独的专 门控制器-DMA控制器来控制，使数据直接在I/O 接口和存储器之间传送，这就是对存储器的直接 存取方式。简称DMA方式。 ©北京工业大学计算机学院
• 各类信息在接口中进入不同的寄存器，这些寄存器称 为I/O端口，每个端口有一个端口地址 • I/O端口的编址方式，存储器统一编址和I/O端口独立 编址。
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5.4 接口的功能以及在系统中的连接 5.4.1 接口的功能
• 寻址功能：能够识别选择存储器和I/O端口的 寻址功能：能够识别选择存储器和I/O端口的 I/O 信号及片选信号 • 输入/输出功能：读写/信号 输入/输出功能：读写/ • 数据转换功能： 数据转换功能： • 联络功能：控制信号例如就绪、忙等 联络功能：控制信号例如就绪、 • 中断管理功能 • 复位功能 • 可编程功能 • 错误检测功能
5.5.1程序控制方式 5.5.1程序控制方式
指CPU与外设之间的数据传送时在程序控制下完成 CPU与外设之间的数据传送时在程序控制下完成 有可分为无条件传送和条件传送两种方式。 的，有可分为无条件传送和条件传送两种方式。 无条件传送：主要针对简单外设， 1、无条件传送：主要针对简单外设，外设随时准备 接收或发出数据。程序不必检查外设状态， 接收或发出数据。程序不必检查外设状态，直接执 指令进行数据输入或输出。 行 IN / OUT 指令进行数据输入或输出。 输入设备:按键、开关;输出设备:LED :LED发光二极管 输入设备:按键、开关;输出设备:LED发光二极管
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5.1 为什么要用接口
外部设备为什么一定要通过接口和主机相连? 外部设备为什么一定要通过接口和主机相连? • CPU与外部设备交换信息的过程和CPU与存 CPU与外部设备交换信息的过程和CPU与存 与外部设备交换信息的过程和CPU 储器交换数据一样都要通过总线来完成， 储器交换数据一样都要通过总线来完成，但 CPU和外设之间直接进行信息交换会带来的 CPU和外设之间直接进行信息交换会带来的 一些问题，只有用接口电路解决。 一些问题，只有用接口电路解决。 • 采用接口的原因： 采用接口的原因 口的原因：
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DMA方式 5.5.3 DMA方式
• 对I/O接口的要求
① 控制寄存器中须有一位用来指出数据传输方向，供 DMA判断输入/输出 ② 控制寄存器中须有一位用来启动I/O操作，通过设置此 为启动外设的动作 ③ 状态寄存器中须有一位用来指出设备当前是否处于忙 状态
查询式 输出过程的流程图
初始化 读入状态 忙否？ N 输出一个字或一个字节到外设 Y
查询式输出数据的 程序段见书P249
数据传送到外设缓冲区 N
操作完成否？
Y 结束
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5 .5 .2 中断方式
1、中断传送方式的原理 • 用查询方式使CPU与外设交换数据时，CPU不断检 查外部设备的状态,当外设的速度很低时,会占用很多 的CPU时间，而真正用于CPU的时间又很少，使 CPU的利用率变得很低，外设缺少主动性。见书上 的例子， 当有多个设备工作，还需要轮询，实时性 很难保证 • 为了提高CPU的利用率和具有实时性，可以采用 中断方式：CPU平时可以执行主程序，当外设准备 好数据才向CPU发中断请求。CPU响应中断，转去 执行中断服务程序，完成一次CPU与外设的数据交 换，CPU又返回执行原来的程序继续。
CPU和外设之间传输信号的分类 • 数据信息
– 数字量 – 模拟量 – 开关量
• 状态信息 • 控制信息 注意：数据信息、状态信息、控制信息各不相 同，应该分别传送。但也可都看成数据信息， 状态信息和控制信息也可通过数据总线来传送。 状态寄存器和控制寄存器
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5.3 接口部件的I/O端口 接口部件的I/O端口 I/O
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例1. CPU无条件地读取开关状态 CPU无条件地读取开关状态
D0 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 IOR
+5V
+
K
≥1
D0=0 K闭合 K闭合 D0=1 K打开 K打开 端口地址: 端口地址: (1111 1111 0000 0000) FF00H
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CPU与外设之间的数据传输方式 5 .5 CPU与外设之间的数据传输方式
M/IO RD
数 据
输入 设备 +5V
CS2
数据 锁存器 数据 缓冲器 地 R
D Q
D0~D7
译 址 器
READY
码 A0~A15
缓冲器
C CS1
M/IO RD
查询式输入的接口电路：由数据口和状态口组成。状态口由 一个D触发器和一个三态门构成。输入设备准备好数据，发 一个选通信号，把外设数据打入接口的锁存器和使接口的Q 端为1。 ©
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CPU与外设之间的数据传输方式 5 .5 CPU与外设之间的数据传输方式
D7~D0 WR 输 出 锁 存 器
至输出设备
地址 总线
地址 译码器
输 入 缓 冲 器
来自输入设备
M/IO RD
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CPU与外设之间的数据传输方式 5 .5 CPU与外设之间的数据传输方式 2、条件传送：CPU与外设交换数据时,很难保证输入 条件传送：CPU与外设交换数据时, 与外设交换数据时 设备总是准备好了, 设备总是准备好了,或者输出设备已处在可以接收 数据的状态,所以传送前CPU需查询状态标志, CPU需查询状态标志 数据的状态,所以传送前CPU需查询状态标志,以确 定是否传送或接收。 定是否传送或接收。 传送过程： 传送过程： CPU从接口中读状态字 输入： CPU在输入数 从接口中读状态字； ① CPU从接口中读状态字；输入： CPU在输入数 据前查询外设数据是否准备好，输出： CPU在 据前查询外设数据是否准备好，输出： CPU在 输出数据前先用指令查询外设缓冲器是否为空？ 输出数据前先用指令查询外设缓冲器是否为空？ CPU检测状态字对应位是否满足条件 检测状态字对应位是否满足条件， ② CPU检测状态字对应位是否满足条件，如不满 足，则回前一步读取状态字 若已就绪， ③ 若已就绪，则传送数据
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DMA方式 5.5.3 DMA方式
• DMA方式从接口往内存传输一个数据块，将按下 面的过程动作： ① 发一个DMA请求。 ② 发总线请求 ③ 地址寄存器的内容送到地址总线上。 ④ 发确认DMA传输的信号。 ⑤ 数据送到地址总线所指出的内存单元。 ⑥ 地址寄存器的值加1。 ⑦ 字节计数器的值减1。 ⑧ 如字节计数器的值不为0，则回到①;否则结束
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第三讲 微型计算机和外设的数据传输
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教学建议，本章重点为: • • • • • • 为什么要用接口； 为什么要用接口； CPU和输入 输出设备之间的信号； 和输入/ CPU和输入/输出设备之间的信号； 接口的功能以及在系统中的连接； 接口的功能以及在系统中的连接； 中断传输的原理； 中断传输的原理； DMA方式的原理 方式的原理； DMA方式的原理； 输入/ 输入/输出过程中接口部件和地址总线错位连接 的原理。 的原理。