第5章微型計算機和外設數據傳輸微機和外設的數據傳輸第1頁本章重點:接口電路功效接口部件和I/O端口含義CPU和外設之間三種數據傳輸方式、各自優缺點和使用場所接口部件和多字節數據總線、地址總線連接微機和外設的數據傳輸第2頁第5章微型計算機和外設數據傳輸5.1為何要用接口電路5.2CPU和輸入輸出設備之間信號5.3接口部件I/O端口5.4接口功效以及在系統中連接5.5CPU和外設之間數據傳送方式微機和外設的數據傳輸第3頁5.1為何要用接口電路（1）接口電路按功效可分為兩類:使微處理器正常工作所需輔助電路輸入輸出接口電路（2）為何要用接口電路?模擬數字串行并行多個外設—〉并口速度微機和外設的數據傳輸第4頁5.1為何要用接口電路輸入輸出接口電路是為了處理計算機和外設之間信息變換和緩沖問題而提出來。接口技術專門研究CPU和外設之間數據傳送方式、接口電路工作原理和使用方法。微機和外設的數據傳輸第5頁5.2CPU和輸入輸出設備之間信號CPU和輸入輸出設備之間有以下幾類信號:（1）數據信息,又分為：數字量：二進制形式數據或以ASCII碼表示數據及字符。模擬量：連續改變物理量。開關量

（2）狀態信息反應外設工作狀態；由外設經過接口送給CPU微機和外設的數據傳輸第6頁5.2CPU和輸入輸出設備之間信號（3）控制信息

CPU經過接口送給外設；控制外設工作數據信息、狀態信息和控制信息都經過數據總線來傳送；數據信息放在接口數據緩沖器中；控制信息送到接口控制存放器中；狀態信息放在接口狀態存放器中；微機和外設的數據傳輸第7頁5.3接口部件I/O端口接口部件中存放器稱為I/O端口。每個端口分配一個端口地址。數據端口

狀態端口

控制端口或命令端口I/O端口兩種編址方式：與存放器統一編址、I/O端口獨立編址。微機系統中通常建立兩個地址空間：內存地址空間、I/O地址空間。輸入/輸出指令。

微機和外設的數據傳輸第8頁圖5-1外設經過接口和系統連接

Cpu對外設進行輸入輸出操作對接口芯片中各端口進行讀寫操作微機和外設的數據傳輸第9頁5.4接口功效以及在系統中連接接口功效

接口與系統連接

微機和外設的數據傳輸第10頁5.4.1接口功效基本功效：在系統總線和I/O設備之間傳輸信號,提供信號變換和緩沖作用。

微機和外設的數據傳輸第11頁1.尋址功效識別區分存放器和I/O信號識別片選信號選擇接口中存放器微機和外設的數據傳輸第12頁2.輸入輸出功效依據讀寫信號判斷傳輸方向傳輸數據、控制和狀態信息微機和外設的數據傳輸第13頁3.數據轉換功效把CPU并行數據轉換成一些外設所需串行數據；把外設串行信息轉換成并行數據送往CPU。微機和外設的數據傳輸第14頁4.聯絡功效當數據傳送完后，能發聯絡信號通知CPU。

微機和外設的數據傳輸第15頁5.中止管理功效發送中止請求和接收中止響應發送中止類型號優先級管理功效

微機和外設的數據傳輸第16頁6.復位功效能接收復位信號，使接口本身及所連外設重新開啟。微機和外設的數據傳輸第17頁7.可編程功效能夠用軟件使其工作于不一樣方式用軟件來設置控制信號微機和外設的數據傳輸第18頁8.錯誤檢測功效當前多數可編程接口芯片能檢測以下兩類錯誤：傳輸錯誤：接口與設備之間連線受到各種干擾

采取奇/偶校驗對傳輸錯誤進行檢測

發覺錯誤后對狀態存放器中對應位置位覆蓋錯誤：輸入時，CPU還沒有從數據輸入存放器取走數據，輸入存放器又裝上了新數據。

發覺錯誤后對狀態存放器中對應位置位。

微機和外設的數據傳輸第19頁接口芯片接口電路關鍵功效常被集成在一塊或數塊大規模集成電路芯片中，稱為接口芯片。1）通用接口芯片：并行接口芯片8212、8255，串行接口芯片8250、8251等2）面向微機專用接口芯片：中止控制器8259、DMA控制器8237、定時/計數器8253/8254等3）面向外設專用接口芯片：CRT控制器MC6845、鍵盤接口芯片8279等微機和外設的數據傳輸第20頁5.4.2接口與系統連接接口可分為兩個部分：和I/O設備相連和系統總線相連

微機和外設的數據傳輸第21頁經典I/O接口和外部連接邏輯電路聯絡信號控制信號微機和外設的數據傳輸第22頁5.5CPU和外設之間數據傳送方式處理定時問題三種傳送方式：程序方式

中止方式

DMA方式

微機和外設的數據傳輸第23頁5.5.1程序方式程序方式指在程序控制下進行信息傳送。1.無條件傳送方式

適合用于總是處于準備好狀態外設。以下外設可采取無條件傳送方式：開關發光器件(如發光二極管、7段數碼管、燈泡等)繼電器步進電機優點：軟件及接口硬件簡單缺點：只適合用于簡單外設，適應范圍較窄微機和外設的數據傳輸第24頁無條件傳送方式工作原理：微機和外設的數據傳輸第25頁2.條件傳送方式（查詢方式）

（1）條件傳送概念CPU經過執行程序不停讀取并測試外設狀態，假如外設處于準備好狀態（輸入設備）或空閑狀態（輸出設備），則CPU執行輸入指令或輸出指令與外設交換信息。

（2）條件傳送三個步驟：CPU從接口中讀取狀態字CPU檢測狀態字傳送數據微機和外設的數據傳輸第26頁查詢式輸入接口電路

微機和外設的數據傳輸第27頁查詢式輸出接口電路

微機和外設的數據傳輸第28頁舉例：假設從終端往緩沖區輸入1個字符行，當碰到回車符或者字符行超出80個字符時，輸入結束，并自動加上1個換行符。假如在輸入81個字符中未見回車符，則在終端上輸出信息“BUFFEROVERFLOW”。字符輸入ASCII碼，第7位用校驗位（偶校驗）。假如校驗犯錯，輸犯錯誤信息。假如沒有犯錯，先去除校驗位，再傳輸到緩沖區。假設接口數據輸入端口地址為0052H，數據輸出端口地址為0054H，狀態端口地址為0056H。設定假如狀態存放器中第1位為1，則表示輸入緩沖器已經有1個字節準備好，能夠進行輸入；第0位為1，表示輸出緩沖器已經騰空，cpu能夠輸出數據。微機和外設的數據傳輸第29頁程序：DATA_SEGSEGMENTMESSAGEDB‘BUFFEROVERFLOW’,0DH,0AHDATA_SEGENDSCOM_SEGSEGMENTBUFFERDB82DUP(?)COUNTDB?COM_SEGENDS微機和外設的數據傳輸第30頁程序：CODESEGMNETASSUMEDS:DATA_SEG,ES:COM_SEG,CS:CODESTAT:MOVAX,DATA_SEGMOVDS,AXMOVAX,COM_SEGMOVES,AXMOVDI,OFFSETBUFFERMOVCOUNT,DIMOVCX,81CLD微機和外設的數據傳輸第31頁程序：NEXT_IN:

INAL,56HTESTAL,02HJZNEXT_IN

INAL,52HORAL,0JPENO_ERRORJMPERRORNO_ERROR:ANDAL,7FHSTOSBCMPAL,0DHLOOPNENEXT_IN

JNEOVERFLOW

MOVAL,0AHSTOSBSUBDI,COUNTMOVCOUNT,DI…OVERFLOW:MOVSI,OFFSETMESSAGEMOVCX,17NEXT_OUT:INAL,56HTESTAL,01HJZNEXT_OUTLODSBOUT54H,ALLOOPNEXT_OUT…ERROR:…微機和外設的數據傳輸第32頁2.條件傳送方式（查詢方式）系統中有多個利用查詢方式實現輸入輸出設備時：采取輪番查詢方式來檢測接口狀態位

例：假定一系統有3個輸入設備

TREE_IN:MOVFLAG,0INPUT:INAL,STAT1TESTAL,20HJZDEV2CALLPROC1CMPFLAG,1JNZINPUTDEV2:INAL,STAT2TESTAL,20HJZDEV3CALLPROC2CMPFLAG,1JNZINPUTDEV3:INAL,STAT3TESTAL,20HJZNO_INPUTCALLPROC3NO_INPUT:CMPFLAG,1JNZINPUT…經過標志FLAG，使三個設備優先級不一樣微機和外設的數據傳輸第33頁2.條件傳送方式（查詢方式）循環查詢法：設備處于完全相同優先級INTREE:MOVFLAG,0INPUT:INAL,STAT1TESTAL,20HJZDEV2CALLPROC1DEV2:INAL,STAT2TESTAL,20HJZDEV3CALLPROC2DEV3:INAL,STAT3TESTAL,20HJZNO_INPUTCALLPROC3NO_INPUT:CMPFLAG,1JNZINPUT…微機和外設的數據傳輸第34頁2.條件傳送方式（查詢方式）適合用于外設并不總是準備好，而且對傳送速率、傳送效率要求不高場所。對外設要求：應提供設備狀態信息對接口要求：需要提供狀態端口優點：軟件比較簡單。缺點：CPU效率低；數據傳送實時性差；速度較慢。微機和外設的數據傳輸第35頁5.5.2中止方式1.中止傳送方式原理CPU無需循環查詢外設狀態，而是外部設備在需要進行數據傳送時才中止CPU正在進行工作，讓CPU來為其服務。即CPU在沒有外設請求時能夠去做更主要事情，有請求時才去傳輸數據，從而大大提升了CPU利用率。優點：CPU效率高，實時性好，速度快。缺點：程序編制較為復雜。微機和外設的數據傳輸第36頁微機和外設的數據傳輸第37頁中止方式輸入接口電路：微機和外設的數據傳輸第38頁2.中止優先級問題處理多個中止源產生中止，CPU首先為誰服務？ ——中止優先級排隊問題。(1)處理中止優先級三種方法：軟件查詢方式簡單硬件方式——菊花鏈法專用硬件方式

微機和外設的數據傳輸第39頁(2)三種方法原理軟件查詢方式：利用帶優先級查詢程序優點——硬件電路簡單；缺點——轉入服務程序花費時間較長。簡單硬件方式——菊花鏈法：在每個外設對應接口上連接一個邏輯電路，這些邏輯電路組成一個菊花鏈。2.中止優先級問題處理微機和外設的數據傳輸第40頁中止優先級菊花鏈及其邏輯電路(a)菊花鏈線路圖

接口在鏈中位置決定了它們優先級微機和外設的數據傳輸第41頁(b)菊花鏈邏輯電路線路圖微機和外設的數據傳輸第42頁專用硬件方式：可編程中止控制器

典型可編程中斷控制器2.中止優先級問題處理微機和外設的數據傳輸第43頁5.5.3DMA方式1.DMA傳送方式提出前面三種I/O方式都需要CPU作為中介：

外設CPU內存兩個含義：

1）軟件：外設與內存之間數據傳送是經過CPU執行程序來完成（PIO方式）；

2）硬件：I/O接口和存放器讀寫控制信號、地址信號都是由CPU發出（總線由CPU控制）。缺點：程序執行速度限定了傳送最大速度（約為幾十KB/秒）—處理：DMA傳輸

微機和外設的數據傳輸第44頁1.DMA傳送方式提出DMA傳輸:

外設

內存外設直接與存放器進行數據交換，CPU不再擔當數據傳輸中介者；數據傳輸速度基本上取決于外設和存放器速度；總線由DMA控制器（DMAC）進行控制（CPU要放棄總線控制權），內存/外設地址和讀寫控制信號均由DMAC提供。優點：數據傳輸由DMA硬件來控制，數據直接在內存和外設之間交換，能夠到達很高傳輸速率（可達幾MB/秒）微機和外設的數據傳輸第45頁

2.DMA控制器功效和原理DMA控制器功效：

向CPU發總線請求信號實施對總線控制修改所用存放器或接口地址指針發讀寫控制信號存放數據長度交還總線控制權5.5.3DMA方式微機和外設的數據傳輸第46頁2.DMA控制器功效和原理DMA三種傳輸方式:連續傳送（塊傳送）DMAC申請到總線后，將一塊數據傳送完后才釋放總線。單次傳送（每次傳送一個字節）每個DMA周期只傳送一個字節就馬上釋放總線。按需傳送（猝發傳送）只要I/O接口數據緩沖可用，就進行傳送。微機和外設的數據傳輸第47頁DMA傳輸數據原理微機和外設的數據傳輸第48頁DMA控制器內部最小配置和接口要求

微機和外設的數據傳輸第49頁DMA傳輸對接口要求：①控制存放器有1位指出數據傳輸方向②控制存放器有1位用來開啟I/O操作③狀態存放器有1位指出設備當前是否處于忙狀態微機和外設的數據傳輸第50頁DMA傳輸對DMA控制器要求：①控制存放器有1位作為DMA允許位②控制存放器有1位用來確定DMA方向③控制存放器有1位決定進行一次傳輸后放棄還是維持對總線控制權④狀態存放器有1位表示數據塊傳輸是否結束微機和外設的數據傳輸第51頁對DMA控制器和接口部件預置信息：①往DMA控制器字節計數器設置初值②往DMA控制器地址存放器中設置地址初值③對DMA控制器設置控制字并開啟DMA操作④對接口部件設置控制字并開啟I/O操作

微機和外設的數據傳輸第52頁開啟數據塊輸入舉例INTSTAT接口狀態存放器INTCON接口控制存放器DMACONDMAC控制存放器BYTE_REG/ADD_REGDMAC字節計數器和地址存放器INTSTAT第2位I/O設備忙位INTCON第0位數據傳輸方向INTCON第2位I/O操作允許位DMACON第0位傳輸方向控制位DMACON第3位DMA控制器允許位DMACON第6位放棄總線控制權位微機和外設的數據傳輸第53頁開啟數據塊輸入初始化程序IDLE:INAL,INTSTAT

;檢測設備是否處于忙狀態

TESTAL,04

JNZIDLE

MOVAX,COUNT

;設置計數

OUTBYTE_REG,AX

LEAAX,BUFFER

;設置地址初值

OUTADD_REG,AX

INAL,DMACON

;取原DMA控制字

ORAL,49H

;設置方向、塊傳輸和允許標志

OUTDMACON,AL

;置DMA控制字

INAL,INTCON

;設置接口傳輸方向及允許標志

ORAL,05H

OUTINTCON,AL

;設置接口控制字

…

微機和外設的數據傳輸第54頁3.DMA控制器工作特點是一個接口電路

能夠控制系統總線操縱外設和存放器之間數據傳輸微機和外設的數據傳輸第55頁5.5.4輸入輸出過程中包括幾個問題1.系統和接口聯絡方式系統怎樣知道接口已準備好數據等候CPU提取或者準備接收CPU數據?查詢方式——經過程序檢測狀態存放器中“準備好”位；中止方式——接口向CPU發中止請求；DMA方式——接口向DMA控制器發DMA請求；微機和外設的數據傳輸第56頁5.5.4輸入輸出過程中提出幾個問題2.優先級當系統中有幾個設備處于