第5章 微型計(jì)算機(jī)和外設(shè)數(shù)據(jù)傳輸

第5章微型計(jì)算機(jī)和外設(shè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)谝豁?yè)，共53頁(yè)。5.1為什么要用接口1、接口的基本概念

所謂接口是指CPU、存儲(chǔ)器、外設(shè)之間通過(guò)總線進(jìn)行連接的電路部分，是CPU與外界進(jìn)行信息交換的中轉(zhuǎn)站。不同的外設(shè)有不同的輸入/輸出接口電路。例如，鍵盤(pán)輸入有鍵盤(pán)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.

第二頁(yè)，共53頁(yè)。微型計(jì)算機(jī)各種接口框圖：第三頁(yè)，共53頁(yè)。5.1為什么要用接口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I/O接口的硬件分成兩類：1.系統(tǒng)板上的I/O芯片

如定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷控制器、DMA控制器、并行接口等。

2.I/O擴(kuò)展槽上的接口控制卡如軟驅(qū)卡、硬驅(qū)卡、圖形卡、聲卡、打印卡、串行通信卡等。CPU接口電路I/O設(shè)備第四頁(yè)，共53頁(yè)。5.1為什么要用接口2、接口按功能分為兩類使CPU正常工作所需要的輔助電路輸入/輸出接口3、外部設(shè)備為什么一定要通過(guò)接口和主機(jī)相連?外部設(shè)備功能多種多樣，工作原理不同外部設(shè)備的信息不同，有數(shù)字量、模擬量、開(kāi)關(guān)量串并行方式不同外設(shè)速度比CPU低得多第五頁(yè)，共53頁(yè)。5.1為什么要用接口 4、接口技術(shù)的發(fā)展及分類微型計(jì)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第六頁(yè)，共53頁(yè)。1）、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(jiǎn)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(jì)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(shí)現(xiàn)，將這種簡(jiǎn)單接口電路稱之為固定式接口電路第七頁(yè)，共53頁(yè)。2)、可編程接口電路16位微處理器（例如8086CPU）的出現(xiàn)，使微型計(jì)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(shí)/計(jì)數(shù)器8253／8254，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(guò)對(duì)接口芯片的在線編程，方便靈活地改變接口的工作方式第八頁(yè)，共53頁(yè)。3)、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(shí)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(kāi)發(fā)出了大批集成度更高的接口器件。這一時(shí)期接口芯片的顯著特點(diǎn)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(dú)立的指令系統(tǒng)，通過(guò)編寫(xiě)完整的I/O管理程序和預(yù)處理程序，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yùn)行速度第九頁(yè)，共53頁(yè)。4)、功能接口板

由于微型計(jì)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(kāi)發(fā)商已為各種總線開(kāi)發(fā)出了不同功能的專用接口板，可供用戶選購(gòu)，例如：PCI總線的ADC和DAC功能板，PCI的網(wǎng)卡，基于PCI的RS-232串行通行卡等第十頁(yè)，共53頁(yè)。5.2 CPU和輸入/輸出設(shè)備之間的信號(hào)數(shù)據(jù)信息數(shù)字量模擬量開(kāi)關(guān)量狀態(tài)信息控制信息CPUI/O設(shè)置數(shù)據(jù)狀態(tài)控制都是通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳送三種信息對(duì)應(yīng)不同的寄存器第十一頁(yè)，共53頁(yè)。5.3 接口部件的I/O端口I/O端口是I/O接口中可通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)尋址并進(jìn)行讀寫(xiě)的寄存器。CPU與外設(shè)之間交換信息具體是通過(guò)I/O端口來(lái)進(jìn)行的。一個(gè)外設(shè)與CPU交換信息往往需要幾個(gè)端口：數(shù)據(jù)端口控制端口狀態(tài)端口編址方式有兩種有時(shí)可以合用第十二頁(yè)，共53頁(yè)。5.3 接口部件的I/O端口第十三頁(yè)，共53頁(yè)。5.3 接口部件的I/O端口ABDBCBCPUI/O接口I/O設(shè)備

端口數(shù)據(jù)控制狀態(tài)CPU與外設(shè)通過(guò)I/O接口通信示意圖第十四頁(yè)，共53頁(yè)。

I/O端口地址分配

PC微機(jī)是根據(jù)上述I/O接口的硬件分類，把I/O空間分成兩部分。

PC微機(jī)I/O地址線可有16根，對(duì)應(yīng)的I/O端口編址可達(dá)64K字節(jié)，其端口地址譯碼是采用部分譯碼法，即只使用了低10位地址線一個(gè)A0~A9，故其I/0端口地址范圍是0000H~003FFH,總共只有1024個(gè)端口。第十五頁(yè)，共53頁(yè)。表1系統(tǒng)板上接口芯片的端口地址I/O芯片名稱端口地址DMA控制器1000~01FHDMA控制器20C0~0DFHDMA頁(yè)面寄存器080~09FH中斷控制器1020~03FH中斷控制器20A0~0BFH定時(shí)器040~05FH并行接口芯片（鍵盤(pán)接口）060~06FHRT/CMOSRAM070~07FH

協(xié)處理器0F0~0FFH第十六頁(yè)，共53頁(yè)。表2擴(kuò)展槽上接口控制卡的端口地址I/0接口名稱端口地址游戲控制卡200～20FH并行口控制卡1370～37FH并行口控制卡2270～27FH串行口控制卡13F8～3FFH串行口控制卡22F0～2FFH原型插件板（用戶可用）300～31FH同步通信卡13A0～3AFH同步通信卡2380～38FH單顯MDA3B0～3BFH彩顯CGA3D0～3DFH彩顯EGG/VGA3C0～3CFH硬驅(qū)控制卡1F0～1FFH軟驅(qū)控制卡3F0～3F7HPC網(wǎng)卡360～36FH第十七頁(yè)，共53頁(yè)。I/O端口地址選用的原則①凡是被系統(tǒng)配置占用了的地址一律不能使用；②未被占用的地址，用戶可以使用，但申明保留的地址，不要使用。③用戶可使用300H~31FH地址。第十八頁(yè)，共53頁(yè)。1、接口的功能尋址功能輸入/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5.4接口的功能以及在系統(tǒng)中的連接第十九頁(yè)，共53頁(yè)。2、接口與系統(tǒng)的連接第二十頁(yè)，共53頁(yè)。用讀信號(hào)、寫(xiě)信號(hào)和地址A0區(qū)分4個(gè)寄存器高位地址和M/IO信號(hào)經(jīng)譯碼器形成片選信號(hào)第二十一頁(yè)，共53頁(yè)。

例1：使用74LS20/30/32和74LS04設(shè)計(jì)I/O端口地址為2F8H的只讀譯碼電路。分析：若要產(chǎn)生2F8H端口地址，則譯碼電路的輸入地址線就應(yīng)具有如下所示的值。譯碼電路輸入地址線的值地址線00A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0

二進(jìn)制001011111000十六進(jìn)制2F8第二十二頁(yè)，共53頁(yè)。譯碼電路輸入：地址線:10根,地址值：2F8HA9~A0=1011111000B

控制線：AEN=0IOR=0

譯碼電路輸出： Y=0為譯碼選中。

/AEN是總線選通信號(hào)第二十三頁(yè)，共53頁(yè)。A9A8A7A3A2A1A0AENIOR&&≥Y第二十四頁(yè)，共53頁(yè)。當(dāng)執(zhí)行指令：MOVDX，2F8H INAL，DX時(shí)，Y=0，對(duì)應(yīng)端口被選中第二十五頁(yè)，共53頁(yè)。4、32位微處理器采用I/O編址的譯碼電路A、8位數(shù)據(jù)端口與低8位數(shù)據(jù)線的連接

第二十六頁(yè)，共53頁(yè)。

B、8位數(shù)據(jù)端口與32位數(shù)據(jù)線的連接

第二十七頁(yè)，共53頁(yè)。例如：

MOVDX，3E0H INAL，DX；BE0*有效，只讀端口０

INAX，DX；BE1*、BE0*有效，；讀端口1與讀端口０

INEAX，DX；BE3*～BE0*均有效，；讀端口3～端口０第二十八頁(yè)，共53頁(yè)。5.5 CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式程序方式無(wú)條件傳送方式條件傳送方式中斷方式DMA方式第二十九頁(yè)，共53頁(yè)。5.5.1 程序方式無(wú)條件傳送方式最簡(jiǎn)單的I/O控制方式，CPU可以隨時(shí)根據(jù)需要無(wú)條件地讀寫(xiě)I/O端口外設(shè)要求：簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)變化緩慢，操作時(shí)間固定，如一組開(kāi)關(guān)或LED顯示管。外設(shè)被認(rèn)為始終處于就緒狀態(tài)接口特點(diǎn)CPU的DB→I/O接口(輸出鎖存器)→外設(shè)CPU的DB←I/O接口(輸入緩沖器)←外設(shè)第三十頁(yè)，共53頁(yè)。無(wú)條件傳送方式編程例START:MOVDX，INPORT INAL，DX；讀入按鍵狀態(tài)TESTAL，01H；判斷最低位按鍵JNZK1；最低位按鍵沒(méi)閉合，轉(zhuǎn)MOV AL，01H；最低位發(fā)光JMP DISPK1：TESTAL，02H；JNZK2；次低位按鍵沒(méi)閉合，轉(zhuǎn)MOV AL，03H；最低2位發(fā)光JMP DISP….DISP:MOVDX，OUTPORTOUTDX，AL；JMPSTART31第三十一頁(yè)，共53頁(yè)。5.5.1 程序方式條件傳送方式也叫查詢方式接口特點(diǎn)：避免了對(duì)端口的“盲讀”、“盲寫(xiě)”，數(shù)據(jù)傳送的可靠性高，并且硬件接口相對(duì)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是CPU工作效率低，I/O響應(yīng)速度慢；外設(shè)要求：狀態(tài)口和數(shù)據(jù)口在有多個(gè)外設(shè)的系統(tǒng)中，CPU的查詢順序由外設(shè)的優(yōu)先級(jí)確定一種CPU主動(dòng)、外設(shè)被動(dòng)的I/O操作方式，很好地解決了CPU與外設(shè)之間的同步問(wèn)題第三十二頁(yè)，共53頁(yè)。5.5.1 程序方式條件傳送方式的三個(gè)環(huán)節(jié)CPU從接口中讀取狀態(tài)字。CPU檢測(cè)狀態(tài)字如“就緒”狀態(tài)，則傳送數(shù)據(jù)。READY?讀取狀態(tài)端口讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)端口YN狀態(tài)端口復(fù)位第三十三頁(yè)，共53頁(yè)。5.5.1 程序方式圖5.4查詢式輸入的接口12345????第三十四頁(yè)，共53頁(yè)。5.5.1 程序方式圖5.5查詢式輸出的接口第三十五頁(yè)，共53頁(yè)。5.5.1 程序方式圖5.6查詢式輸入過(guò)程的流程圖第三十六頁(yè)，共53頁(yè)。查詢的例子1

DATA_SEG SEGMENT MESSAGE DB ′BUFFEROVERFLOW′，0DH，0AH ATA_SEG ENDS COM_SEG SEGMENT BUFFER DB 82 DUP(?) COUNT DB ? COM_SEG ENDS CODE SEGMENT ASSUME DS：DATA_SEG，ES：COM_SEG，CS：CODE

STAT：

MOV AX，DATA_SEG MOV DS，AX MOV AX，COM_SEG MOV ES，AX MOV DI，OFFSETBUFFER MOV COUNT，DI

MOV CX，81 CLD

第三十七頁(yè)，共53頁(yè)。查詢的例子2

NEXT_IN： IN AL，56H TEST AL，02H JZ NEXT_IN IN AL，52H OR AL，0 JPE NO_ERROR JMP ERROR

NO_ERROR： AND AL，7FH STOSB MOV CX，17 LOOPNE NEXT_IN JNE OVERFLOW MOV AL，0AH STOSB SUB DI，COUNT MOV COUNT，DI

第三十八頁(yè)，共53頁(yè)。查詢的例子3

OVERFLOW： MOV SI，OFFSETMESSAGE MOV CX，17 NEXT_OUT： IN AL，56H TEST AL，01H JZ NEXT_OUT LODSB OUT 54H，AL LOOP NEXT_OUT第三十九頁(yè)，共53頁(yè)。多個(gè)入設(shè)備輪流查詢的例子

TREE_IN：

MOV FLAG，0 INPUT： IN AL，STAT1 TEST AL，20H JZ DEV2 CALL PROC1

CMP FLAG，1 JNZ INPUT

DEV2：

IN AL，STAT2 TEST AL，20H JZ DEV3 CALL PROC2

CMP FLAG，1 JNZ INPUT

DEV3：

IN AL，STAT3 TEST AL，20H JZ NO_INPUT CALL PROC3 NO_INPUT：

CMP FLAG，1 JNZ INPUT第四十頁(yè)，共53頁(yè)。3個(gè)設(shè)備處于相同優(yōu)先級(jí)的循環(huán)查詢程序，INTREE：

MOV FLAG，0 INPUT：

IN AL，STAT1 TEST AL，20H JZ DEV2 CALL PROC1 DEV2：

IN AL，STAT2 TEST AL，20H JZ DEV3 CALL PROC2 DEV3：

IN AL，STAT3 TEST AL，20H JZ NO_INPUT CALL PROC3 NO_INPUT： CMP FLAG，1

JNZ INPUT第四十一頁(yè)，共53頁(yè)。多個(gè)外設(shè)的查詢CPU周期性地依次查詢每個(gè)外設(shè)的狀態(tài)優(yōu)先權(quán)決定了查詢次序不具有實(shí)時(shí)性42第四十二頁(yè)，共53頁(yè)。5.5.2 中斷方式接口特點(diǎn)：避免了CPU反復(fù)低效率的查詢，適用于CPU任務(wù)繁忙、而數(shù)據(jù)傳送不太頻繁的系統(tǒng)中。缺點(diǎn)是硬件電路和處理過(guò)程都比較復(fù)雜;（中斷控制芯片）CPU被動(dòng)而外設(shè)主動(dòng)的I/O操作方式，較大地提高了CPU的工作效率，并使系統(tǒng)具有了實(shí)時(shí)處理功能第四十三頁(yè)，共53頁(yè)。5.5.2 中斷方式中斷傳送方式的原理圖5.7中斷方式輸入的接口第四十四頁(yè)，共53頁(yè)。5.5.2 中斷方式中斷傳送方式的原理圖5.8可屏蔽中斷的響應(yīng)和執(zhí)行第四十五頁(yè)，共53頁(yè)。5.5.2 中斷方式中斷優(yōu)先級(jí)問(wèn)題的解決圖5.9典型的可編程中斷控制器第四十六頁(yè)，共53頁(yè)。5.5.3 DMA方式DMA