微型計(jì)算機(jī)和外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸

1、微型計(jì)算機(jī)和外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸 徐蘊(yùn)穎 計(jì)科一班 201207010121摘要：微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于過(guò)程控制、信息處理、數(shù)據(jù)通信等方面，對(duì)于不同的需求，可選用不同型號(hào)的微型計(jì)算機(jī)，配置不同的外部設(shè)備，已擴(kuò)展系統(tǒng)功能。外部設(shè)備不同使用場(chǎng)合不同，CPU與外部設(shè)備之間需要傳輸?shù)男畔⒁膊煌Ｎ⑿陀?jì)算機(jī)與外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸一般有三種方式：程序控制方式、中斷方式、DMA方式，微處理機(jī)與外界的連接已變得越來(lái)越容易了。關(guān)鍵詞： 接口 CPU 程序控制方式 中斷方式 DMA方式什么是I/O接口？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(shí)的必要通道，不同的外設(shè)有不同的輸入/輸出接口電路。

2、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。I/O接口是位于系統(tǒng)與外設(shè)間、用來(lái)協(xié)助完成數(shù)據(jù)傳送和控制任務(wù)的邏輯電路。微機(jī)的外部設(shè)備多種多樣，工作原理、驅(qū)動(dòng)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(guò)中間電路在與系統(tǒng)相連，這部分電路被稱為I/O接口電路，所以I/O接口就顯得十分必要。要構(gòu)成一個(gè)實(shí)際的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，除了微處理器以外，還需要各種接口。接口按功能分為兩類：一類是使CPU正常工作所需要的輔助電路；另一類是I/O接口。CPU與外設(shè)之間所傳送的信息類型對(duì)于輸入設(shè)備來(lái)說(shuō)，接口通常起信息轉(zhuǎn)換和緩沖作用。輸入

3、輸出接口電路是為了解決計(jì)算機(jī)和外設(shè)之間的信息變換和緩沖問(wèn)題而提出來(lái)的。接口技術(shù)專門研究CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式、接口電路的工作原理和使用方法。接口電路使處理器得到所需要的時(shí)鐘信號(hào)或接收外部的多個(gè)中斷請(qǐng)求等；利用接口電路，微處理器可以接收外部設(shè)備送來(lái)的信息或信息發(fā)送給外部設(shè)備。外部設(shè)備不同，使用場(chǎng)合不同，CPU與外部設(shè)備之間需要傳輸?shù)男畔⒁膊煌?，CPU和輸入/輸出設(shè)備之間有以下幾類信號(hào)：數(shù)據(jù)信息，又分為數(shù)字量、模擬量、開(kāi)關(guān)量。狀態(tài)信息，反映外設(shè)的工作狀態(tài)；由外設(shè)通過(guò)接口送給CPU?？刂菩畔ⅲ珻PU通過(guò)接口送給外設(shè)；控制外設(shè)工作。I/O端口的編址方式CPU和外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，各類信息在接口

4、中進(jìn)入不同的寄存器，一般稱這些寄存器稱為I/O端口，每個(gè)端口分配一個(gè)端口。通常有：數(shù)據(jù)端口、狀態(tài)端口、控制端口或命令端口。對(duì)I/O端口有兩種編址方式：與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址方式；I/O端口獨(dú)立編址方式。統(tǒng)一編址方式把每一端口視為一個(gè)存儲(chǔ)單元，將它們和存儲(chǔ)單元聯(lián)合在一起編排地址，這樣可利用訪內(nèi)指令去訪問(wèn)I/O端口，而不需要專門的I/O指令，簡(jiǎn)化了指令系統(tǒng)，無(wú)需專門的I/O指令，但I(xiàn)/O端口地址占用了一部分存儲(chǔ)器地址的空間。獨(dú)立編制方式是指I/O設(shè)備的地址空間和存儲(chǔ)器地址空間是獨(dú)立的、分開(kāi)的。采用獨(dú)立I/O尋址方式的微處理器有Intel8086/8088、Zilog Z80等。由于各種微處理采用的I/O

5、編址方式不同，因此設(shè)計(jì)接口電路時(shí)，首先需要清楚CPU采用的是何種端口編址方法，只有正確尋址，才能完成正確的信息交換。一個(gè)接口的基本功能是在系統(tǒng)總線和I/O設(shè)備之間傳輸信號(hào)，提供緩沖作用，以滿足接口兩邊的時(shí)序要求。接口的功能為了協(xié)調(diào)CPU與外設(shè)之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)CPU與外設(shè)之間高效、可靠的信息交換，I/O接口應(yīng)具備以下功能：尋址功能輸入/輸出功能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能聯(lián)絡(luò)功能中斷管理功能復(fù)位功能可編程功能錯(cuò)誤檢測(cè)功能。接口主要是為了解決計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間的信息交換問(wèn)題。隨著大規(guī)模集成電路及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，目前的接口電路中主要部件幾乎都是功能強(qiáng)大的大規(guī)模集成電路，有些接口電路中還有自己的微處理器及內(nèi)部總線

6、。CPU只需進(jìn)行很少的控制操作，這些接口電路就可以根據(jù)CPU的要求完成對(duì)外設(shè)的控制與管理。這樣就大大減輕了CPU的負(fù)擔(dān)，提高了CPU的工作效率。接口技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是采用大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路，向智能化和標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式微機(jī)與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送，實(shí)際上是CPU與I/O接口間的數(shù)據(jù)傳送，熟悉和了解CPU與外設(shè)間數(shù)據(jù)傳送方式是微機(jī)接口技術(shù)的重要內(nèi)容。CPU與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送方式一般有三種：程序控制方式、中斷方式、DMA方式。1. 程序控制方式，是指CPU與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送是在程序控制下完成的一種數(shù)據(jù)傳送方式，這種方式又分為無(wú)條件傳送方式和條件傳送方式。無(wú)條件傳送方式一般

7、適合于數(shù)據(jù)傳送不太頻繁的情況，這種方式是最簡(jiǎn)單的傳送方式，程序編制與接口電路設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單。但必須注意，當(dāng)簡(jiǎn)單外設(shè)作為輸入設(shè)備時(shí)，其輸入數(shù)據(jù)的保持時(shí)間相對(duì)于CPU的處理時(shí)間要長(zhǎng)得多，所以可直接使用三態(tài)緩沖器與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連。條件傳送方式又稱查詢式傳送，即CPU與外設(shè)之間采用應(yīng)答方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。CPU 通過(guò)執(zhí)行程序不斷讀取并測(cè)試外設(shè)的狀態(tài)，當(dāng)輸入設(shè)備處于準(zhǔn)備好狀態(tài)或輸出設(shè)備處于空閑狀態(tài)時(shí)，CPU就能執(zhí)行輸入或輸出指令與外設(shè)交換數(shù)據(jù)。為此，接口電路除了應(yīng)有傳送數(shù)據(jù)的端口外，還要有傳送狀態(tài)信息的端口。查詢式傳送方式的缺點(diǎn)是：花費(fèi)CPU的時(shí)間作等待循環(huán)，大大降低了CPU的運(yùn)行效率。當(dāng)CPU采用查詢方

8、式從外設(shè)讀取數(shù)據(jù)時(shí)，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。當(dāng)CPU采用查詢方式向外設(shè)輸出數(shù)據(jù)時(shí)，CPU必須首先從狀態(tài)端口查詢外設(shè)是否已經(jīng)做好了接受CPU數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，若沒(méi)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。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(shí)，CPU必須順序查詢每一個(gè)外設(shè)，當(dāng)某一個(gè)外設(shè)不需要服務(wù)時(shí)，CPU也得按順序查詢一次，外設(shè)總是處于被動(dòng)狀態(tài)，CPU無(wú)法快速響應(yīng)外設(shè)要求及時(shí)服務(wù)的請(qǐng)求。CPU為了服務(wù)外設(shè)，其他程序會(huì)停止執(zhí)行，所以，查詢式I/O方式不可能是微型計(jì)算機(jī)外設(shè)工作的最佳選擇，不適

9、用于實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。 2. 中斷傳送方式，為了進(jìn)一步提高CPU的效率和使系統(tǒng)有實(shí)時(shí)性能，可采用此種方式，當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備好時(shí)，就主動(dòng)向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，請(qǐng)求CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入/輸出。運(yùn)用中斷控制方式實(shí)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(wèn)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(dòng)請(qǐng)求CPU為該外設(shè)服務(wù)的狀態(tài)下，一旦一個(gè)或多個(gè)外設(shè)申請(qǐng)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(jí)別，逐個(gè)予以響應(yīng)，并進(jìn)行中斷處理、中斷返回，實(shí)現(xiàn)中斷處理的全過(guò)程。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(shí)服務(wù)外設(shè)，并出理系統(tǒng)

10、異常情況，從而可以提高微機(jī)的整體性能，提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度。中斷傳送方式在一定程度上提高了CPU的效率，但是，中斷傳送是CPU通過(guò)程序來(lái)控制的，每處理一次I/O交換，約需幾十到幾百微妙來(lái)保留現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)。這對(duì)于一些高速的外設(shè)，或成組交換數(shù)據(jù)的情況，顯然是不適宜的。中斷方式是在外設(shè)準(zhǔn)備就緒時(shí)向CPU申請(qǐng)中斷，再進(jìn)行傳送，因而CPU無(wú)需花費(fèi)時(shí)間作等待循環(huán)，彌補(bǔ)了查詢方式的缺點(diǎn)。3. DMA方式，是一種由硬件執(zhí)行的I/O交換方式。DMA控制器接管總線控制權(quán)后，不需要CPU干預(yù)，直接在外設(shè)和內(nèi)存儲(chǔ)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，從而大大加快了數(shù)據(jù)傳送的速度。當(dāng)外設(shè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好時(shí)，就向DMA控制器發(fā)出請(qǐng)求，DMA控制器接到請(qǐng)求后，即向CPU發(fā)出總線請(qǐng)求，申請(qǐng)占用總線，但要等到CPU給予響音，DMA控制器才能接管總線，然后由其提供存儲(chǔ)器地址，并發(fā)出存儲(chǔ)器讀、I/O寫或I/O讀、存儲(chǔ)器信號(hào)，控制存儲(chǔ)器與I/O設(shè)備間的直接數(shù)據(jù)傳送，傳送結(jié)束，DMA控制器撤銷對(duì)系統(tǒng)總線的控制權(quán)，CPU重新獲得總線控制權(quán)。DMA 控制器的功能相當(dāng)復(fù)雜，目前均為大規(guī)?？删幊绦酒?，使用起來(lái)相當(dāng)方便，但必須先初始化，編程設(shè)定工作方式。 外設(shè)準(zhǔn)備就緒時(shí)，向DMA控制器發(fā)DMA請(qǐng)求，DMA控制器接到此信號(hào)后，向CPU發(fā)HOLD請(qǐng)求 CPU接到HOLD請(qǐng)求后，如果條件允許，則發(fā)出HOLD信號(hào)作為響應(yīng)，同時(shí)，放棄對(duì)總