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1、第5章 微型计算机和外设的数据传输,本章重点:,接口电路的功能 接口部件和I/O端口 CPU和外设之间的三种数据传输方式、各自优缺点和使用场合 中断传输方式的原理和可屏蔽中断的响应过程 DMA方式的原理和DMA控制器的功能,教学建议：,在讲述接口电路的I/O端口基础上，以讲清楚中断方式的原理和DMA方式原理为目标。 本章用2学时。,5.1 为什么要用接口电路,（1）接口电路按功能可分为两类: 使微处理器正常工作所需的辅助电路 输入输出接口电路: （2）为什么要用接口电路,5.2 CPU和输入输出设备之间的信号,CPU和输入输出设备之间有以下几类信号 : （1）数据信息,又分为： 数字量 模拟量
2、 开关量 （2）状态信息 （3）控制信息,5.3 接口部件的I/O端口,数据端口 状态端口 控制端口或命令端口,外设通过接口和系统的连接,IN AL, 21H,OUT 43H, AL,5.4 CPU和外设之间的数据传送方式,解决定时问题的三种传送方式： 程序方式 中断方式 DMA方式,5.4.1 程序方式,1. 无条件传送方式,图 无条件传送方式的工作原理,2 . 条件传送方式,（1）条件传送的概念 （2）条件传送的三个环节： CPU从接口中读取状态字 CPU检测状态字 传送数据,查询式输入的接口电路,查询式输出的接口电路,查询式输入过程的流程图,5.4.2 中断方式,1. 中断传送方式的原理
3、,可屏蔽中断的响应和执行,2 . 中断优先级问题的解决,(1)解决中断优先级的三种办法： 软件查询方式 简单硬件方式菊花链法 专用硬件方式 (2)三种方法的优缺点,中断优先级菊花链及其逻辑电路,(a) 菊花链,(b) 菊花链逻辑电路中断请求,典型的可编程中断控制器,5.4.3 DMA方式,1. DMA传送方式的提出 DMA传送方式的优点 数据传输率 2 .DMA控制器的功能和原理,DMA控制器的功能： 向CPU发总线请求信号 实行对总线的控制 修改所用的存储器或接口的地址指针 发读写控制信号 存放数据长度 交还总线控制权,DMA传输单个数据(输出过程)的原理,DMA控制器的内部最小配置和接口要
4、求,从接口往内存传输一个数据块的过程：, 接口往DMA控制器发一个DMA请求 得到总线控制权 地址寄存器的内容送地址总线 通知接口将数据送到数据总线 数据送到所指单元 地址寄存器的值加1 字节计数器的值减1 如字节计数器的值不为0，则回到;否则结束,DMA传输对接口的要求：, 控制寄存器有1位指出数据传输方向 控制寄存器有1位用来启动I/O操作 状态寄存器有1位指出设备当前是否处于忙状态,DMA传输对DMA控制寄存器的要求：, 有1位作为DMA允许位 有1位用来确定DMA方向 有1位决定进行一次传输后放弃还是维持对总线的控制权 状态寄存器有1位表示数据块传输是否结束,对DMA控制器和接口部件预
5、置的信息：, 往DMA控制器的字节计数器设置初值 往DMA控制器的地址寄存器中设置地址初值 对DMA控制器设置控制字并启动DMA操作 对接口部件设置控制字并启动I/O操作,启动数据块输入的例子,IDLE:IN AL,INTSTAT ;检测设备是否处于 忙状态，如是，则等待 TEST AL,04 JNZ IDLE MOV AX,COUNT ;设置计数 OUT BYTE-REG,AX LEA AX,BUFFER ;设置地址初值 OUT ADD-REG，AX,MOV AL，DMAC ;取原DMA控制字 OR AL，49H ;设置方向、块传输 ;和允许标志 OUT DMACON,AL ;置DMA控制字
6、 MOV AL，INTC ;设置接口的传输方向 ;及允许标志 OR AL，05H OUT INTCON,AL ;设置接口的控制字,3. DMA控制器的工作特点,是一个接口电路 能够控制系统总线 操纵外设和存储器之间的数据传输,5.4.4 输入输出过程中提出的几个问题,1.系统如何知道接口已准备好数据等待CPU提取或者准备接收CPU的数据? 2.当系统中有几个设备处于同一种传输方式之下、而且同时发传输请求时，系统到底先响应哪个请求?,外部设备为什么要通过接口电路和主机系统相连？存储器需要接口电路和总线相连吗？为什么？,解答：,因为外设的功能多种多样，对于模拟量信息的外设必须要进行A/D和D/A转
7、换，而对于串行信息的外设则必须转换为并行的信息，对于并行信息的外设还要选通。而且外设的速度比CPU慢的多，必须增加缓冲功能。只有这样计算机才能使用这些外设。而所有这些信息转换和缓冲功能均由接口电路才能完成。 存储器不需要接口电路和总线相连。 因为存储器功能单一，且速度与CPU相当。因此可直接挂在CPU总线上。,2、是不是只有串行数据形式的外设需要接口电路和主机系统连接？为什么？,解答：,不是。并行数据形式的外设也需要接口电路和主机系统连接。 因为，CPU每次只能访问一个外设，因此并行信息的外设需增加选通功能，才能满足CPU的访问要求，必须用接口电路。,3、接口电路的作用是什么？按功能可分为几类
8、？,解答：,接口电路的作用就是在外设和CPU之间起信息变换和缓冲功能。 按功能可分为两类： 一种是使微处理器正常工作所需要的辅助电路。 另一种是输入/输出接口电路。,4、数据信息有哪几类？ 举例说明它们各自的含义。,解答：,1.数据信息有四类：数字量、模拟量、开关量。 2.如键盘、磁盘等就是数字量信息；温度、湿度、压力等转换的电信号就是模拟量；电机的起停、发光设备的亮灭等都是开关量。,5、CPU和输入/输出设备之间传送的信息有哪几类？,解答：,有数据信息、控制信息、状态信息三类。,6、什么叫端口？通常有哪几类端口？计算机对I/O端口编址时通常采用哪两种方法？在8086/8088系统中，用哪种方
9、法对I/O端口进行编址？,解答：,CPU和外设进行数据传输时，各类信息在接口中进入不同的寄存器，一般称这些寄存器为I/O端口。 有数据端口、控制端口、状态端口三类。 在微型计算机中通常用两种I/O端口编址方式：存储器映象寻址和I/O端口单独寻址。 在8086/8088系统中，用I/O端口单独寻址方式编址。,7、为什么有时候可以使两个端口对应一个地址？,解答：,因为这两个端口一个是只读端口，一个是只写端口。而CPU对一个I/O端口地址可进行读/写两种访问。如果将这两个只读和只写端口编为一个地址，则CPU对该端口地址读操作对应的是只读端口；CPU对该端口地址写操作则对应的是只写端口，互不影响。因此
10、可以使两个单向的只读和只写端口对应一个端口地址。,8、CPU和外设之间的数据传送方式有哪几种？实际选择某种传输方式时，主要依据是什么？,解答：,CPU和外设之间的数据传送方式有三种：程序方式、中断方式、DMA方式。 主要依据是外设的情况(外设的速度和外设提供信息的方式)。,9、无条件传送方式用在哪些场合？画出无条件传送方式的工作原理图并说明。,解答：,无条件传送方式只用在对一些简单外设进行操作的场合。如开关、LED显示等。 无条件传送方式的工作原理图：(见书203页图5.2所示) 在无条件输入时：CPU执行一条输入指令，使和M/信号为有效低电平，并对应送出该端口地址，因此选中输入缓冲器，打开其
11、三态门，使输入缓冲器的数据经数据总线送到CPU的累加器中。 在无条件输出时：CPU执行一条输出指令，使和M/信号为有效低电平，并对应送出该端口地址，因此选中输出锁存器，将由累加器送到数据总线上的数据打入输出锁存器中供外设使用。,10、条件传送方式的工作原理是怎样的？主要用在什么场合？画出条件传送(查询)方式输出过程的流程图。,解答：,条件传送方式的工作原理是：外设给CPU提供一个状态信息，当CPU要访问外设时，必须先检测该状态信息是否合乎要求，不停检测直至合乎要求时才进行CPU对外设的访问。 查询方式主要用在外设较少，数据交换不频繁的非实时系统的场合。,11、设一个接口的输入端口地址为0100
12、H，而它的状态端口地址为0104H，状态口中第5位为1表示输入缓冲区中有一个字节准备好，可输入。设计具体程序实现查询式输入。,解答：,DATA SEGMENT BUFFER DB 20 DUP(?) ;接收数据缓冲区 DATA ENDS CODE SEGMENT ASSUME DS:DATA，CS:CODE STAT: MOV AX，DATA ;对DS初始化 MOV DS，AX MOV DI，OFFSET BUFFER MOV DX，0104H STATIN: IN AL，DX TEST AL，20H ;测试第5位 JZ STATIN ;第5位为0继续测试 MOV DX，0100H IN AL
13、，DX ;输入数据 MOV DI，AL CODE ENDS END STAT,12、查询式传送方式有什么缺点？中断方式为什么能弥补查询方式的缺点？,解答：,查询式传送方式缺点是：花费CPU的时间作等待循环，大大降低了CPU的运行效率。 中断方式是在外设准备就绪时向CPU申请中断，再进行传送，因而CPU无需花费时间作等待循环，弥补了查询方式的缺点。,13、叙述可屏蔽中断的响应和执行过程。,解答：, 接口发中断请求信号。 CPU的IF=1时，当前指令执行完后，CPU进行中断回答，发两个负脉冲。 接口将中断类型号n送CPU。 当前的PSW、CS和IP推入堆栈，并清除IF和TF。 (4n)作为IP，(
14、4n+2)作为CS，即取中断向量。 执行中断子程序，并开中断。 中断返回IRET指令使IP、CS和PSW弹出堆栈。 返回被中断的程序。,14、通常解决中断优先级的方法有哪几种？各有什么优缺点？,解答：,有软件查询方式、简单硬件方式菊花链法、专用硬件方式三种。 软件查询方式的优点是节省硬件，缺点是中断响应时间长；简单硬件方式的优点是中断响应时间短，硬件较简单，缺点是优先级固定，变动起来很麻烦；专用硬件方式优点是对优先级可编程修改，中断管理非常方便，缺点是硬件复杂的多，好在有专用的中断控制器。,15、和DMA比较，中断传输方式有什么不足之处？,解答：,CPU执行一次传送要花费许多与传送操作无关的指
15、令执行等时间，另外中断传送方式不能进行数据块传送，而是按字节或字传送。,16、叙述用DMA方式传送单个数据的全过程。,解答：, 接口准备就绪，发DMA请求信号给DMA控制器。 DMA控制器向CPU转发总线请求信号HOLD。 CPU向DMA控制器发总线请求允许信号HLDA，DMA控制器得到总线控制权。 DMA控制器把地址送地址总线。 DMA控制器向接口发DMA请求确认信号。 内存和接口通过数据总线传送数据。 DMA控制器撤销总线请求信号HOLD。 8086 CPU收回总线控制权。,17、在查询方式、中断方式和DMA方式中，分别用什么方法启动数据传输过程？,解答：,查询方式：通过程序来检测接口中状态寄存器中的“准备好”位，以确定当前是否可以进行数据传输。 中断方式：当接口中已经有数据要往CPU输入或者准备好接收数据时，接口会向CPU发一个外部中断请求。CPU响应中断后，便通过运行中断处理程序来实现输入/输出。 DMA方式：外设要求传送数据时，接口会向DMA控制器发DMA请求信号，DMA控制器转而向CPU发一个总线请求信号，以请求得到总线控制权，如果得到CPU允许，那么，就可在没有CPU参与的情况下，实现DMA传输。,