第6章微型计算机和外设之间的数据传输课件.ppt
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- 微型计算机 外设 之间 数据传输 课件
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1、 通过本章的学习,使学生掌握接口电路的通过本章的学习,使学生掌握接口电路的基本概念、接口电路的主要功能、两种基本概念、接口电路的主要功能、两种I/OI/O端端口的编址方式、口的编址方式、3232位微处理器采用位微处理器采用I/OI/O编址的编址的译码、微处理器与译码、微处理器与I/OI/O设备数据传送的查询式设备数据传送的查询式输入输出方式以及中断方式输入输出输入输出方式以及中断方式输入输出 熟悉熟悉3232位微处理器保护模式下的位微处理器保护模式下的I/OI/O空间,空间,直接存储器存取(直接存储器存取(DMADMA)方式以及)方式以及I/OI/O处理器控处理器控制方式制方式教学目的和教学要
2、求教学目的和教学要求重点:重点:n I/O端口的编址方式端口的编址方式n CPU与与I/O设备数据传送的查询式输入输设备数据传送的查询式输入输出方式以及中断方式输入输出出方式以及中断方式输入输出难点:难点:n 微处理器与微处理器与I/O设备数据传送的几种方式设备数据传送的几种方式本章重点、难点本章重点、难点6.1 接口及接口技术接口及接口技术6.1.1 接口电路的概述接口电路的概述 所谓所谓接口接口就是微处理器与外围设备之间的连接电就是微处理器与外围设备之间的连接电路,它是两者之间进行信息交换时的必要通路,不路,它是两者之间进行信息交换时的必要通路,不同的外设有不同的输入同的外设有不同的输入/
3、输出接口电路。例如,键输出接口电路。例如,键盘输入有键盘接口电路,盘输入有键盘接口电路,CRTCRT显示器有显示器输出显示器有显示器输出接口电路,打印机也有打印输出接口电路等等接口电路,打印机也有打印输出接口电路等等 微型计算机系统的各类接口如图微型计算机系统的各类接口如图6-16-1所示所示 图图6-1 微型计算机各种接口框图微型计算机各种接口框图 nI/O接口是位于系统与外设间、用来协助接口是位于系统与外设间、用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路完成数据传送和控制任务的逻辑电路nPC机系统板的可编程接口芯片、机系统板的可编程接口芯片、I/O总总线槽的电路板(适配器)都是接口电路线槽的电
4、路板(适配器)都是接口电路什么是什么是I/OI/O接口(电路)?接口(电路)?n微机的外部设备多种多样微机的外部设备多种多样n工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差别很大工作速度方面彼此差别很大n它们不能与它们不能与CPU直接相连直接相连n必须经过中间电路再与系统相连必须经过中间电路再与系统相连n这部分电路被称为这部分电路被称为I/O接口电路接口电路为什么需要为什么需要I/OI/O接口(电路)?接口(电路)?n处理微机系统与外设间联系的技术处理微机系统与外设间联系的技术n注意其软硬结合的特点注意其软硬结合的特点n根据应用系统的需要,使用和构造相应
5、根据应用系统的需要,使用和构造相应的接口电路,编制配套的接口程序,支的接口电路,编制配套的接口程序,支持和连接有关的设备持和连接有关的设备什么是微机接口技术?什么是微机接口技术?6.1.2 接口电路的主要功能接口电路的主要功能设备选择功能设备选择功能数据缓冲功能数据缓冲功能接收和执行接收和执行CPUCPU命令的功能命令的功能寄存外设状态的功能寄存外设状态的功能 信号的转换功能信号的转换功能 数据宽度变换的功能数据宽度变换的功能可编程功能可编程功能 6.1.3 接口技术的发展及分类接口技术的发展及分类 微型计算机接口技术的发展,基本上是与微处理微型计算机接口技术的发展,基本上是与微处理器的发展同
6、步进行的。按照接口技术与接口随着微器的发展同步进行的。按照接口技术与接口随着微处理器的发展,可将接口电路分为四类处理器的发展,可将接口电路分为四类:n固定式接口电路固定式接口电路n可编程接口电路可编程接口电路n智能接口与通用外围接口智能接口与通用外围接口n功能接口板功能接口板一、固定式接口电路 早期的微处理器多采用早期的微处理器多采用PMOSPMOS工艺,集成度低,工艺,集成度低,系统结构与指令系统均比较简单,受半导体工系统结构与指令系统均比较简单,受半导体工艺的限制,接口芯片的集成度也不高,大都采艺的限制,接口芯片的集成度也不高,大都采用用TTLTTL与与MSIMSI工艺,计算机接口由小规模
7、或中规工艺,计算机接口由小规模或中规模集成电路组合而成,要改变其功能与工作方模集成电路组合而成,要改变其功能与工作方式必须改变硬件连线才能实现,将这种简单接式必须改变硬件连线才能实现,将这种简单接口电路称之为固定式接口电路口电路称之为固定式接口电路 二、可编程接口电路 16 16位微处理器(例如位微处理器(例如8086CPU8086CPU)的出现,使微型)的出现,使微型计算机的发展进入了第二代,第二代微处理器采计算机的发展进入了第二代,第二代微处理器采用了用了NMOSNMOS工艺,集成度明显提高,工艺,集成度明显提高,IntelIntel公司推出公司推出的与此相适应的接口芯片有中断控制器的与此
8、相适应的接口芯片有中断控制器8259A8259A,并,并行行I/OI/O接口芯片接口芯片8255A8255A,定时,定时/计数器计数器8253825382548254,DMADMA控制器控制器8237A8237A以及串行通信接口芯片以及串行通信接口芯片82508250等,等,这些芯片都是采用这些芯片都是采用NMOSNMOS工艺的大规模集成(工艺的大规模集成(LSILSI)芯片,而且都是可编程的接口芯片,用户可以通芯片,而且都是可编程的接口芯片,用户可以通过对接口芯片的在线编程,方便灵活地改变接口过对接口芯片的在线编程,方便灵活地改变接口的工作方式的工作方式 三、智能接口与通用外围接口 Inte
9、lIntel公司于公司于19851985年首次推出第三代微处理器年首次推出第三代微处理器8038680386,19891989年又推出年又推出X86X86系列的第四代微处理器系列的第四代微处理器8048680486,这时,这时代的芯片大都是采用了代的芯片大都是采用了NMOSNMOS或或CMOSCMOS工艺的超大规模集工艺的超大规模集成(成(VLSIVLSI)芯片。与此相应,也开发出了大批集成度)芯片。与此相应,也开发出了大批集成度更高的接口器件。这一时期接口芯片的显著特点是应更高的接口器件。这一时期接口芯片的显著特点是应用了单片机作通用接口,使接口电路智能化用了单片机作通用接口,使接口电路智能
10、化 智能化接口集单片机技术与接口技术于一体,可直智能化接口集单片机技术与接口技术于一体,可直接与外围设备相连,它是一种结构与功能接近于接与外围设备相连,它是一种结构与功能接近于CPUCPU的的专用控制器,有独立的指令系统,通过编写完整的专用控制器,有独立的指令系统,通过编写完整的I/OI/O管理程序和预处理程序,来实现对许多外设频繁的管理程序和预处理程序,来实现对许多外设频繁的I/OI/O进行管理,从而减轻了进行管理,从而减轻了CPUCPU管理管理I/OI/O设备的负担,大大设备的负担,大大提高了微机系统的运行速度提高了微机系统的运行速度 四、功能接口板 由于微型计算机使用了各种统一的总线标准
11、,由于微型计算机使用了各种统一的总线标准,例如:例如:ISAISA、PCIPCI、SCSISCSI、USBUSB等各种总线,因而等各种总线,因而从电气特性、机械特性及通信协议等方面都已从电气特性、机械特性及通信协议等方面都已标准化,开发商已为各种总线开发出了不同功标准化,开发商已为各种总线开发出了不同功能的专用接口板,可供用户选购,例如:能的专用接口板,可供用户选购,例如:PCIPCI总总线的线的ADCADC和和DACDAC功能板,功能板,PCIPCI的网卡,基于的网卡,基于PCIPCI的的RS-232RS-232串行通行卡等串行通行卡等 6.2 I/O端口的编址方式端口的编址方式 端口端口是
12、接口电路中能被是接口电路中能被CPUCPU直接访问的寄存器的地直接访问的寄存器的地址址。由于有的寄存器寄存的二进制信息专门用来被。由于有的寄存器寄存的二进制信息专门用来被CPUCPU读取,有的寄存器用于专门接收读取,有的寄存器用于专门接收CPUCPU发出来的数据,因发出来的数据,因此,被此,被CPUCPU访问的寄存器的地址分为输入端口和输出端访问的寄存器的地址分为输入端口和输出端口,故称为口,故称为I/OI/O端口端口 微机给接口电路中的每个寄存器分配一个端口,即微机给接口电路中的每个寄存器分配一个端口,即给每个寄存器分配一个地址,当给每个寄存器分配一个地址,当CPUCPU访问这些寄存器时,访
13、问这些寄存器时,通过执行通过执行I/OI/O指令,由指令,由I/OI/O指令中给出的地址就从地址指令中给出的地址就从地址总线上发出去,经接口电路中的地址译码器译码后,总线上发出去,经接口电路中的地址译码器译码后,便可以选中便可以选中I/OI/O指令中所指定的寄存器进行指令中所指定的寄存器进行R/WR/W访问访问 6.2.1 两种两种I/O端口的编址方式端口的编址方式一、统一编址一、统一编址 从内存空间划出一部分地址空间留给从内存空间划出一部分地址空间留给I/OI/O设设备编址,备编址,CPUCPU把把I/OI/O端口所指的寄存器当作存储端口所指的寄存器当作存储单元进行访问,直接用访问内存的指令
14、访问单元进行访问,直接用访问内存的指令访问I/OI/O寄存器,这种寄存器,这种I/OI/O端口的编址方式被称之为统一端口的编址方式被称之为统一编址,或称为存储器映像的编址,或称为存储器映像的I/OI/O编址方式编址方式优点:优点:不需要设立专门的不需要设立专门的I/OI/O指令,用访问内指令,用访问内存的指令就可以访问外设,指令类型多,功能存的指令就可以访问外设,指令类型多,功能齐全,还可以对端口进行算术运算,逻辑运算齐全,还可以对端口进行算术运算,逻辑运算以及移位操作等。以及移位操作等。I/OI/O端口空间不受限制端口空间不受限制 缺点:缺点:是是I/OI/O端口占用了内存空间,减少了内端口
15、占用了内存空间,减少了内存容量存容量统一编址优缺点统一编址优缺点二、专门的二、专门的I/OI/O编址方式编址方式 接口电路中所有的接口电路中所有的I/OI/O端口统一编址,而所端口统一编址,而所有有I/OI/O端口建立的地址空间与内存地址空间是端口建立的地址空间与内存地址空间是两个独立的地址空间,也常称这种方式为独两个独立的地址空间,也常称这种方式为独立编址方式立编址方式 优点:优点:不占用内存空间,使用专门不占用内存空间,使用专门I/OI/O指令访指令访问问I/OI/O端口,端口,I/OI/O速度快速度快 缺点:缺点:CPUCPU的引脚上必须具有能区分出访问内的引脚上必须具有能区分出访问内存
16、还是访问存还是访问I/OI/O端口的信号,作为端口的信号,作为I/OI/O接口电接口电路中端口译码电路以及存储器片选译码电路的路中端口译码电路以及存储器片选译码电路的输入信号输入信号专用I/O编址的优缺点6.2.2保护模式下的保护模式下的I/O空间空间在实地址模式下,在实地址模式下,80486CPU80486CPU采用存储器映采用存储器映像像I/OI/O编址方式访问编址方式访问I/OI/O端口时,端口时,I/OI/O端口占端口占有物理地址从有物理地址从0 0地址开始的地址开始的1MB1MB存储空间中的存储空间中的任意地址,在实模式下,采用专门任意地址,在实模式下,采用专门I/OI/O编址编址方
17、式时,占用方式时,占用0 0地址开始的地址开始的64KBI/O64KBI/O地址空间地址空间中任意地址中任意地址 当当80486CPU80486CPU运行在保护模式下,用存储运行在保护模式下,用存储器映像的器映像的I/OI/O编址方式寻址,编址方式寻址,I/OI/O端口可以端口可以被映像到物理地址从被映像到物理地址从0 0地址开始的地址开始的4GB4GB存储存储空间中任意地址(空间中任意地址(0000 0000H0000 0000HFFFF FFFF FFFFHFFFFH),而采用专门),而采用专门I/OI/O编址方式,编址方式,I/OI/O寻址的地址空间是从寻址的地址空间是从0 0地址开始的
18、地址开始的64KB64KB(0000 0000H0000 0000H0000 FFFFH0000 FFFFH)I/OI/O地址空地址空间中任意地址间中任意地址 3232位机在保护模式下,位机在保护模式下,CPUCPU对以上两种对以上两种I/OI/O寻址寻址方式提供不同的保护机制方式提供不同的保护机制 对于存储器映像对于存储器映像I/OI/O的保护由存储器分段与分的保护由存储器分段与分页保护机制完成,同时还要避免使用系统数据缓页保护机制完成,同时还要避免使用系统数据缓冲地址空间被映像来作为冲地址空间被映像来作为I/OI/O操作地址操作地址 对于专用的对于专用的I/OI/O编址方式,只有当前的特权
19、级编址方式,只有当前的特权级(CPLCPL)大于或等于)大于或等于I/OI/O特权级(特权级(IOPLIOPL)时,即此)时,即此时的时的CPLCPL值必须小于或等于值必须小于或等于IOPLIOPL的数值,的数值,I/OI/O指令指令才能被执行,反之,则才能被执行,反之,则I/OI/O指令将不被执行,相指令将不被执行,相应还要产生一个普通的保护故障应还要产生一个普通的保护故障在保护模式下,在保护模式下,3232位机任务状态段(位机任务状态段(TSSTSS)中的)中的I/OI/O允许位,提供了另一种保护机制。允许位,提供了另一种保护机制。I/OI/O允许位中允许位中的每一位分别与一个的每一位分别
20、与一个8 8位的位的I/OI/O端口相对应。当执行端口相对应。当执行I/OI/O操作时,虽然当前的特权级(操作时,虽然当前的特权级(CPLCPL)大于或等于)大于或等于I/OI/O特权级(特权级(IOPLIOPL),但),但CPUCPU要检查要检查I/OI/O允许位中与允许位中与该该I/OI/O端口对应的那一位,若该位为端口对应的那一位,若该位为1 1,则禁止当前,则禁止当前I/OI/O操作的形成,若为操作的形成,若为0 0,则允许形成当前的,则允许形成当前的I/OI/O操操作作在虚拟在虚拟80868086模式下,所有的模式下,所有的I/OI/O操作均要受操作均要受I/OI/O允许位的限制允许
21、位的限制 6.2.3 32位微处理器采用位微处理器采用I/O编址的译码电路编址的译码电路一、一、8 8位数据端口与低位数据端口与低8 8位数据线的连接位数据线的连接 二、二、8 8位数据端口与位数据端口与3232位数据线的连接位数据线的连接 例如:例如:MOV DX,3E0HIN AL,DX;BE0*有效,只读端口有效,只读端口IN AX,DX;BE1*、BE0*有效,有效,;读端口;读端口1与读端口与读端口IN EAX,DX;BE3*BE0*均有效,均有效,;读端口;读端口3端口端口6.3 CPU与与I/O设备数据传送的几种方式设备数据传送的几种方式 6.3.16.3.1I/OI/O接口电路
22、的基本结构接口电路的基本结构一、一、I/O接口电路的连接接口电路的连接二、二、I/OI/O接口电路中的基本寄存器接口电路中的基本寄存器I/OI/O接口电路中一般具有接口电路中一般具有三种类型三种类型的的基本寄基本寄存器存器,它们是用于存取数据的寄存器,存取命,它们是用于存取数据的寄存器,存取命令信息的寄存器以及存取外设所处状态的寄存令信息的寄存器以及存取外设所处状态的寄存器器,习惯上把这些寄存器称为端口习惯上把这些寄存器称为端口1 1、数据端口、数据端口2 2、命令端口、命令端口3 3、状态端口、状态端口 1数据端口数据端口 n用于中转数据信息。一种情况是用于中转数据信息。一种情况是CPUCP
23、U通过数据总通过数据总线,将待传送给外设的数据先传送到数据端口,线,将待传送给外设的数据先传送到数据端口,然后由然后由I/OI/O设备通过与设备通过与I/OI/O接口电路相连接的数接口电路相连接的数据线取得该数据据线取得该数据n另一种情况是另一种情况是I/OI/O设备首先将输入数据锁存于数设备首先将输入数据锁存于数据端口,然后,据端口,然后,CPUCPU通过数据端口将该数据读入通过数据端口将该数据读入CPUCPU中。数据端口一般既有输出寄存器(或称输中。数据端口一般既有输出寄存器(或称输出锁存器),又有输入寄存器(或称输入锁存出锁存器),又有输入寄存器(或称输入锁存器)器)2、命令端口、命令端
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