1、第七章 计算机和外设的数据传输,7.1 接口电路 7.1.1 接口的用途接口电路或集成的接口电路即接口芯片，用于实现外部设备与主机之间的连接(connection)和信息交换。如图7-1所示。,接口电路中通常包括3种信息，即：数据信息、状态信息和控制信息。1. 数据信息 CPU与外设交换的基本信息就是数据。数据信息一般分为3种类型，即数字量、模拟量、开关量。2.状态信息状态信息是反映外设当前工作状态的信息。每种状态用1位表示，每个外设可以有几个状态位，它们可由CPU读取，以测试或检查外设的状态，决定程序的流程。3.控制信息控制信息是CPU通过接口传送给外设的控制信息，它是用来控制外设工作的信息
2、。如选通信号、启停信号等。这3类信息在形式上都是二进制代码，它们都是通过数据总线（DB）来传送的，但它们的性质是不同的，必须分别传送，分别放在接口内的不同端口中。而接口对数据总线（DB）上数据类型的识别是根据相应的端口地址来区分的。,7.1.2 接口的功能（1）数据缓冲和锁存。 （2）执行CPU命令。 （3）地址译码或设备选择。 （4）信号转换与数据格式转换。 然而并不是每种接口都具有以上全部功能，但前三项功能应是一般接口都需要具有的功能。 7.1.3 IO端口CPU与外设交换的数据信息都保存在接口电路的这些寄存器（输出数据锁存器和输入数据缓冲器 ）中，CPU对外设的操作实际上就是对这些寄存器
3、的操作，这些寄存器在计算机系统中被称之为端口（port），对它们的操作也叫I/O端口操作。,I/O端口编址 I/O端口的编址方式有两种：I/O端口与存储器统一编址方式和I/O端口独立编址方式。 （1）I/O端口与存储器统一编址 I/O端口与存储器统一编址就是在整个CPU的地址空间中，划出一部分作为存储器地址空间，另一部分为I/O端口地址空间，如图7-2（a）所示。8051单片机系统就采用该种编址方式。 在统一编址方式下，CPU将I/O端口与存储器同等对待，因此不需要专门的I/O指令，CPU对存储器的全部操作指令均可用于I/O操作，故I/O指令多，且使用方便。统一编址的缺点是I/O端口占用了部分
4、存储器地址空间，从而减少了存储器可用地址空间的大小，程序不易阅读（不易区分到底是访问主存还是访问外设）。,图 7-2 两种编址方式,（2）I/O端口独立编址I/O端口独立编址方式就是I/O端口地址和存储器单元各有自己独立的地址空间，各自单独编址，互不相关。CPU用专门的I/O指令去访问I/O端口。如图7-2（b）所示。如8086/8088，Z80等采用此种编址方式。I/O端口独立编址方式下，硬件上CPU需要一根专门的引脚来指明地址线上的地址是存储器地址还是I/O端口地址；软件上需要专门的I/O指令来访问I/O端口。此方式的优点是控制和译码电路相对简单，专门的I/O指令使程序清晰易读，指令简单、
5、速度快；缺点是增加硬件开销，I/O指令没有存储器指令丰富。,2. CPU对端口的读写CPU对端口的读写是通过CPU对I/O端口的输入/输出指令实现的。（1）输入指令IN格式：INAL，PORT（格式1）INAX，PORT（格式2）INAL，DX （格式3）INAX，DX （格式4）功能：从端口中读入一个字节或字，并存至寄存器AL或AX中。（2）输出指令OUT格式：OUT PORT，AL（格式1）OUT PORT，AX（格式2）OUT DX，AL （格式3）OUT DX，AX （格式4）功能：将寄存器AL或AX中的内容输出至指定端口。,7.2 CPU和外设之间的数据传输方式 根据CPU与外设之间
6、数据传送的控制方式不同，CPU与外设之间的数据传输方式有四种：无条件传输方式、程序查询传送方式、中断传送方式、DMA传送方式。7.2.1 无条件传输方式（同步传送方式）这种方式又称为同步传送方式或直接传送方式，主要用于对简单外设进行操作，或者外设的定时是固定的或已知的场合。一般用于控制CPU与低速接口之间的信息交换。此方式的优点是硬件和软件都达到最简单，即硬件上只需要提供CPU与外设连接的数据端口，软件上则只提供相应的输入或输出指令即可；缺点是只适用于简单外设，外设必须随时处于待命状态，并且外设的处理速度能跟上CPU的速度，否则就会出错。,同步输入方式（1）同步输入过程提供端口地址，以便CPU
7、从指定的外设中读入数据。执行IN指令或存储器读指令。地址译码器输出，同时产生M/和控制信号。数据从端口中输入至CPU寄存器。（2）同步输入硬件接口电路 硬件接口电路必须保证同步输入过程的正确执行。图7-3是一个同步输入硬件接口电路。,图7-3同步输入硬件接口电路,2. 同步输出方式（1）同步输出过程提供端口地址，以便CPU将数据送到指定的外设。执行OUT指令或存储器写指令。地址译码器输出，同时产生M/和信号。CPU将数据输出到端口。（2）同步输出硬件接口电路除了正确提供端口地址外，还需将数据锁存或驱动后提供给外设。图7-6 是一个同步输出的硬件接口电路。,图7-6 同步输出接口电路,7.2.2
8、 程序查询传送方式及其应用程序查询方式也称条件方式，用查询方式传送时，CPU通过执行程序不断读取并测试外设的状态，如果外设处于准备好状态（输入设备）或者空闲状态（输出设备），则CPU执行输入指令或输出指令与外设交换信息。因此，要求外设应能提供其工作状态的信息，要求接口电路除了有传送数据的端口，还得提供状态端口。对于条件传送来说，一个数据传送过程由3个环节组成：（1）CPU从接口中读取状态字；（2）CPU检测状态字的对应位是否满足“就绪”的条件，如果不满足，则回到前一步读取状态字；（3）如状态字表明外设已处于“就绪”状态，则传送数据。,查询方式传送数据流程如图7-10所示。,图7-10 查询方式
9、传送数据流程图,一般的查询方式输入/输出电路如图7-12、图7 - 13所示。,图7-12 一般的查询传送方式输入电路,图7-13一般的查询传送方式输出电路,例【7-2】 见课本,7.2.3 中断传送方式及其应用 中断传送方式有如下特点：1、CPU和外设大部分时间处于并行工作状态， CPU只在响应外设的中断申请后，进入数据传送的过程；2、中断传送方式提高了CPU的效率。中断传送方式的优点是保证了CPU对外设的实时服务，又不会因对各I/O设备的随时关照而花费CPU太多的时间，使高速运行的CPU与速度参差不齐的各种外设之间形成了良好的匹配（并行工作）关系，确保了CPU的高效率。缺点是为了实现中断传
10、送，要求在CPU与外设之间设置中断控制器，增加了硬件开销。 中断传送方式输入的接口电路如图7-15所示。,图7-15 中断方式输入的接口电路,7.3 DMA传送方式7.3.1 DMA传送方式的提出DMA（Direct Memory Access）传送方式是在内存与外设之间（或内存到内存之间）开辟一条直接数据传送的通道，并把传送过程交给DMA控制器进行管理。CPU本身仅接收DMA控制器的DMA请求并发送DMA允许信号，不参与实际的数据传送。7.3.2 DMA传送方式接口的结构特点 DMA传送方式采用一个专门的接口电路，该接口电路除具有一般接口的基本功能外，还具有总线管理功能，就是在数据传输时，D
11、MA总线管理器（即DMA控制器）接管总线管理权。DMA控制器的结构如图7-16所示。,图7-16 DMA控制器结构,1. DMA控制器功能（1）能接收外设的DMA请求信号DREQ，并能向外设发出DMA响应信号DACK；（2）能向CPU发出总线请求信号（HOLD），当CPU发出总线响应信号（HLDA）后能接管对总线的控制权，进入DMA传送方式；（3）能发出地址信息，对存储器寻址并修改地址指针；（4）能向存储器和外设发出读/写控制信号；（5）能决定传送的字节数，并能判断DMA传送是否结束；（6）能发出DMA结束信号，释放总线，让CPU重新获得总线控制权。,2. DMA的工作过程 外设数据准备好后，
12、发出一选通信号，使DMA请求触发器置1,。它有两个走向，一是向控制/状态端口发出准备就绪信号，一是向DMA控制器发出DMA请求信号； DMA控制器接收到DMA请求后，就向CPU发出总线保持请求信号（HOLD），要求接管总线； CPU在每个时钟上升沿都检测是否有HOLD请求，若有此请求，且自身正处在总线空闲周期中，CPU就立即响应此总线保持请求，即，向DMA控制器发出响应信号（HLDA），允许DMA接管总线。如果CPU正在执行某个总线周期，则要到这个总线周期结束后再响应此总线保持请求； CPU将CB、AB及DB的控制权让出，由DMA控制器进行控制； DMA控制器向外设发出DMA请求信号的回答信号；, 进行DMA传送，即，DMA控制器向地址总线发出地址信号，向数据总线发出数据信号，并给出存储器写命令，把外设输入的数据写入了存储器。而后修改地址指针，修改计数器，检查传输是否结束，若没结束则循环上述操作过程直到整个数据块传送完毕； DMA传送完毕，DMA控制器撤消对CPU的总线请求，总线控制权还给CPU，恢复正常运行。,
