微機(jī)原理與接口技術(shù)PPT第七章

第七章輸入和輸出技術(shù)

知識(shí)概述

第一節(jié)接口技術(shù)第二節(jié)數(shù)據(jù)傳輸方式第三節(jié)DMAC接口：CPU與外設(shè)間的中間電路。接口分類基本接口：8259，8237，8254通用接口：8255，8251專用接口：鍵盤接口，顯示器接口7.1接口技術(shù)學(xué)習(xí)接口涉及到兩個(gè)基本問題：一、是CPU如何尋址I/O設(shè)備，實(shí)現(xiàn)多個(gè)I/O設(shè)備的識(shí)別；二、是CPU如何與I/O設(shè)備連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制信號(hào)的交換。一、I/O接口的主要功能

1.I/O設(shè)備選擇功能；2.對(duì)輸入/輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖和鎖存；3.對(duì)數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行變換；4.與CPU和I/O設(shè)備進(jìn)行聯(lián)絡(luò)；二、I/O接口的典型結(jié)構(gòu)1．內(nèi)部組織１）端口：即接口電路中的寄存器。一般設(shè)有數(shù)據(jù)口、狀態(tài)口、控制口。2）數(shù)據(jù)總線：CPU通過其從狀態(tài)口中讀取當(dāng)前的狀態(tài)，也可向控制口寫入命令，控制I/O設(shè)備的工作。3）I/O接口的典型結(jié)構(gòu)：如圖7.1。2.外部特性I/O接口是連接CPU系統(tǒng)和外設(shè)的橋梁，所以對(duì)其外部特性的掌握是實(shí)現(xiàn)I/O接口物理連接的基礎(chǔ)。接口引腳根據(jù)其連接的對(duì)象又分為面向CPU一側(cè)的信號(hào)和面向外設(shè)一側(cè)的信號(hào)。對(duì)于面向CPU一側(cè)的信號(hào)，一般都引出了數(shù)據(jù)線、地址線和控制線。3.基本接口的特點(diǎn)1）“可編程”：是指接口芯片的功能和工作方式可通過程序設(shè)定。2）初始化程序：對(duì)接口芯片功能和工作方式等的定義，是通過向一些寄存器寫入相應(yīng)的信息來完成的，這樣的寫入程序一般稱為接口芯片的初始化程序。三、I/O接口的編址方法1.I/O接口的統(tǒng)一編址統(tǒng)一編址方式也稱為存儲(chǔ)器映象I/O尋址方式，即每一個(gè)端口占一個(gè)存儲(chǔ)單元地址。如圖1）優(yōu)點(diǎn)：不需要專門的I/O指令；端口尋址方式也就是內(nèi)存的尋址方式，有利于I/O程序的設(shè)計(jì)。2）缺點(diǎn)：I/O端口占用一部分存儲(chǔ)器的地址空間；在程序中不容易區(qū)分哪些指令是訪問存儲(chǔ)器、哪些指令是訪問外設(shè)，所以程序不易閱讀。2.I/O接口的獨(dú)立編址獨(dú)立編址方式，是將存儲(chǔ)器和I/O端口當(dāng)作兩個(gè)完全獨(dú)立的地址空間。如圖1）優(yōu)點(diǎn)：使用了專門的I/O指令，所以程序清晰易讀；因?yàn)镮/O接口的地址空間獨(dú)立且—般小于存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)空間，所以其不占用存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)空間，地址譯碼電路相對(duì)簡單。2）缺點(diǎn)：訪問端口的指令沒有訪問存儲(chǔ)器的指令豐富。CPU需設(shè)置專門的控制信號(hào)，區(qū)分存儲(chǔ)器與端口訪問。7.2輸入/輸出傳送方式

一、程序方式即用輸入、輸出指令，控制信息傳送的方式。1.無條件輸入/輸出條件：輸入/輸出時(shí)，外設(shè)總是處于“準(zhǔn)備好”狀態(tài)。硬件電路圖：如圖。缺點(diǎn)：容易誤讀數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)丟失。2.條件輸入/輸出方式程序流程：如圖所示。方式：輪流查詢，即CPU主動(dòng)詢問每一個(gè)I/O設(shè)備，如圖優(yōu)點(diǎn)：能較好地協(xié)調(diào)外設(shè)與CPU之間的定時(shí)關(guān)系；缺點(diǎn)：a>CPU需要不斷查詢?cè)O(shè)備的狀態(tài)，這將占用CPU較多的時(shí)間；b>難以滿足實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)對(duì)I/O工作的要求。二、中斷方式I/O設(shè)備有輸入/輸出要求時(shí)，主動(dòng)向CPU發(fā)出請(qǐng)求。1.8086/8088CPU的中斷Ａ>CPU執(zhí)行完每一條指令后，都會(huì)去查詢外部是否有請(qǐng)求，若有，就暫?，F(xiàn)行的程序，轉(zhuǎn)去完成傳送數(shù)據(jù)的任務(wù)。Ｂ>當(dāng)多個(gè)外設(shè)在同一時(shí)刻提出中斷請(qǐng)求時(shí)，就引入了所謂中斷優(yōu)先權(quán)管理和中斷嵌套等問題。2.優(yōu)點(diǎn)：CPU避免了把大量時(shí)間耗費(fèi)在查詢狀態(tài)信號(hào)的操作上，使其工作效率得以大大地提高。3.缺點(diǎn)：1）很難實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中每一個(gè)外設(shè)都工作在最佳工作狀態(tài)。2）CPU需要干預(yù)，故不能滿足高速磁盤控制器或高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

是指一旦某個(gè)外設(shè)請(qǐng)求CPU為它服務(wù)時(shí)，CPU應(yīng)該以最快的速度響應(yīng)其請(qǐng)求。信息的傳送是依靠CPU執(zhí)行中斷服務(wù)程序來完成的，每次I/O操作都需要幾十甚至幾百微秒三、DMA方式1、概念數(shù)據(jù)在I/O接口與存儲(chǔ)器之間傳送時(shí)，不經(jīng)CPU的干預(yù)，而是在專用硬件電路的控制下直接傳送，這種方法稱為直接存儲(chǔ)器存取(DirectMemoryAccess，縮寫為DMA)。為實(shí)現(xiàn)這種工作方式而設(shè)計(jì)的專用接口電路，稱為DMA控制器(DMAC)2、DMA的工作過程：(1)當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備好時(shí)，向DMAC發(fā)出DMA傳送請(qǐng)求信號(hào)(DRQ)。(2)DMAC收到請(qǐng)求后，向CPU發(fā)出總線請(qǐng)求信號(hào)HOLD，申請(qǐng)占用總線。(3)CPU在完成當(dāng)前總線周期后會(huì)立即對(duì)HOLD信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)。(4)DMAC收到HLDA信號(hào)后，向外設(shè)發(fā)出DMA響應(yīng)信號(hào)DACK響應(yīng)有兩方面：a>CPU將DB、AB和相應(yīng)的CB均置為高阻態(tài)b>CPU向DMAC發(fā)出總線響應(yīng)信號(hào)(HLDA)。(5)DMAC送出地址信號(hào)和相應(yīng)的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)外設(shè)與內(nèi)存或內(nèi)存與內(nèi)存之間的直接數(shù)據(jù)傳送。(6)DMAC自動(dòng)修改地址和字節(jié)計(jì)數(shù)器，并據(jù)此判斷是否需要重復(fù)傳送操作。(7)規(guī)定的數(shù)據(jù)傳送完后，DMAC就撤消發(fā)往CPU的HOLD信號(hào)。CPU檢測(cè)到HOLD失效后，緊接著撤消HLDA信號(hào)，并在下一時(shí)鐘周期重新開始控制總線，并繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。圖示過程：3、優(yōu)點(diǎn)：用DMA方式傳送數(shù)據(jù)時(shí)，在存儲(chǔ)器和外部設(shè)備之間，

直接開辟高速的數(shù)據(jù)傳送通路。數(shù)據(jù)傳送過程不要CPU介入，只用一個(gè)總線周期，就能完成存儲(chǔ)器和外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送。因此，數(shù)據(jù)傳送速度僅受存儲(chǔ)器的存取速度和外部設(shè)備傳輸特性的限制。4、缺點(diǎn)：(1)DMAC取代CPU控制了系統(tǒng)總線,故當(dāng)DMAC控制總線時(shí)，CPU不能讀取指令。(2)若系統(tǒng)使用的是動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器，則在DMA操作期間，存儲(chǔ)器的刷新將會(huì)停止。(3)當(dāng)DMAC占用總線時(shí)，CPU不能去檢測(cè)和響應(yīng)其他設(shè)備的中斷請(qǐng)求。(4)增加硬件的投資，提高系統(tǒng)的成本。(5)DMA方式傳送的額外開銷源：A>總線訪問時(shí)間:由于DMAC要同CPU和其他的總線主控設(shè)備爭用對(duì)系統(tǒng)總線的控制權(quán)，因此，必須有一些規(guī)則來解決爭用總線控制權(quán)的問題，一般是用硬件實(shí)現(xiàn)排隊(duì)，而排隊(duì)過程要花費(fèi)時(shí)間；B>對(duì)DMAC的初始化:CPU要對(duì)DMAC寫控制字，因此，DMAC的初始化建立，比程序控制數(shù)據(jù)傳送的初始化，可能要花費(fèi)較多時(shí)間。6、DMA主要適用以下幾種場合:一般要求響應(yīng)時(shí)間在微秒以下的場合：硬盤和軟盤I/O，快速通信通道I/O，多處理機(jī)和多程序數(shù)據(jù)塊傳送，掃描操作，快速數(shù)據(jù)采集，在PC/XT機(jī)中還采用DMA方式進(jìn)行DRAM的刷新操作。四、I/O處理機(jī)方式

專門處理輸入/輸出的協(xié)處理器。協(xié)處理器的概念即是一個(gè)智能控制器，可以取出和執(zhí)行指令，并且除了控制數(shù)據(jù)傳送外，還可以執(zhí)行和邏輯運(yùn)算、轉(zhuǎn)移、搜索和轉(zhuǎn)換。(2)處理I/O操作時(shí)的方式CPU在存儲(chǔ)器中建立一個(gè)信息塊，將所需要的操作和有關(guān)參數(shù)按照規(guī)定列入，然后通知協(xié)處理器來讀取。協(xié)處理器讀得操作控制信息后，能自動(dòng)完成全部的I/O操作。如圖所示7.3DMA控制器

7.3.1

DMA的基本原理

實(shí)現(xiàn)DMA傳送的基本原理如圖，DMA傳送的基本過程如下：第一，當(dāng)I／O接口準(zhǔn)備好，希望進(jìn)行DMA操作時(shí)，就向DMAC發(fā)出DMA請(qǐng)求信號(hào)DRQ；第二，DMA控制器將此請(qǐng)求信號(hào)轉(zhuǎn)變成對(duì)CPU的總線請(qǐng)求信號(hào)HRQ；

第三，CPU在當(dāng)前總線周期執(zhí)行結(jié)束，響應(yīng)DMA請(qǐng)求，發(fā)出總線應(yīng)答信號(hào)HLDA，此時(shí)，由DMA控制器接管對(duì)總線的控制。第四，由DMA控制器對(duì)存儲(chǔ)器尋址，并發(fā)出相應(yīng)控制信號(hào)（DACK、及），使存儲(chǔ)器與I/O接口之間直接交換數(shù)據(jù)。第五，在傳送一字節(jié)數(shù)據(jù)后，DMAC自動(dòng)修改存儲(chǔ)器地址和傳送字節(jié)計(jì)數(shù)器，并檢測(cè)傳送是否結(jié)束。第六，DMA傳送結(jié)束，DMA控制器向CPU發(fā)出結(jié)束信號(hào)，并釋放總線，使CPU重新獲得總線控制，恢復(fù)正常工作。7.3.2DMA控制器8237A

主要功能如下：在一個(gè)片子中有4個(gè)獨(dú)立的DMA通道。每個(gè)通道的DMA請(qǐng)求都可以分別允許和禁止。每個(gè)通道的DMA請(qǐng)求有不同的優(yōu)先權(quán)。優(yōu)先權(quán)可以是固定的，也可以是循環(huán)的。每個(gè)通道一次傳送的最大長度可達(dá)64KB?？梢杂眉?jí)連的方法擴(kuò)展通道數(shù)。一、8237A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)8237A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由以下三個(gè)基本部分組成：

控制邏輯單元、緩沖器組、內(nèi)部寄存器其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳如圖所示。微機(jī)原理與接口技術(shù)1.與CPU相連的引腳A3~A0：低8位地址線的低4位，雙向、三態(tài)當(dāng)CPU控制總線時(shí)，輸入，表示8237A內(nèi)部寄存器的地址信號(hào)；當(dāng)DMA操作時(shí)，輸出，表示存儲(chǔ)器的地址。A7~A4：低8位地址線的高4位，三態(tài)、輸出僅用在進(jìn)行DMA操作時(shí)，提供訪問存儲(chǔ)器低字節(jié)的高4位地址。D7~D0：數(shù)據(jù)線，雙向、三態(tài)。當(dāng)CPU控制總線時(shí)，表示CPU訪問8237A寄存器的數(shù)據(jù)通道；當(dāng)DMA操作時(shí)，表示訪問存儲(chǔ)器的高8位地址A15~A8。IOR：I/O讀信號(hào)，雙向、三態(tài)、低電平有效當(dāng)CPU控制總線時(shí)，輸入，CPU利用它讀出8237A內(nèi)部寄存器；當(dāng)DMA操作時(shí)，輸出，與MEMW配合實(shí)現(xiàn)DMA寫操作。

MEMW,MEMR,IOW,CS,HREQ,HLDA二、8237A的外部引腳2.與外設(shè)相連的引腳DREQ3~DREQ0：DMA請(qǐng)求信號(hào)，輸入、有效電平可由工作方式命令字確定。DACK3~DACK0：DMA響應(yīng)信號(hào)，輸出、有效電平可由工作方式命令字確定。一般利用該信號(hào)選中某端口，實(shí)現(xiàn)

I/O

存儲(chǔ)器的傳送。3.其它引腳

CLK：時(shí)鐘信號(hào)，輸入。

RESET：復(fù)位信號(hào)，輸入、高電平有效。

READY：準(zhǔn)備好信號(hào)，輸入、高電平有效

AEN：地址允許信號(hào)，輸出、高電平有效。DMA操作時(shí)，AEN=1；CPU控制總線時(shí)，AEN=0。ADSTB：地址選通信號(hào)，輸出、高電平有效

EOP：過程結(jié)束信號(hào)，雙向、低電平有效。為輸出時(shí)，在DMA傳送期間，當(dāng)字節(jié)數(shù)計(jì)數(shù)器減至0時(shí)，使其變?yōu)榈碗娖?，表示DMA傳送結(jié)束；為輸入時(shí)，當(dāng)EOP端輸入一個(gè)低電平時(shí)，強(qiáng)迫DMA操作停止，并使內(nèi)部寄存器復(fù)位。VCC、GND：電源和接地引腳。三、8237A可編程寄存器1.方式字格式如圖所示。2.命令字命令字是在初始化時(shí)寫入8位命令寄存器，4個(gè)通道共用，各位定義如圖所示。3.請(qǐng)求字DMA請(qǐng)求可以由I/O設(shè)備產(chǎn)生DREQ信號(hào)，也可以由軟件產(chǎn)生。請(qǐng)求寄存器就是用于由軟件來產(chǎn)生的DMA請(qǐng)求。存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器的傳送，一般利用軟件產(chǎn)生DMA請(qǐng)求。軟件請(qǐng)求是不可屏蔽的，其格式如圖所示。4.屏蔽字記錄各通道的DMA請(qǐng)求是否被允許，如圖所示。5.狀態(tài)字格式如圖所示。四、8237A內(nèi)部寄存器的尋址對(duì)8237內(nèi)部寄存器的尋址和執(zhí)行與控制器有關(guān)的軟件命令，都由芯片選擇信號(hào)CS、I/O讀信號(hào)IOR、I/O寫信號(hào)IOW和A3～A0地址線的不同狀態(tài)編碼來完成。CS＝0，表示訪問該8237DMAC芯片；

A3＝0，表示訪問某個(gè)地址寄存器或字節(jié)計(jì)數(shù)器，并由A2～A1編碼狀態(tài)給出通道號(hào)；