微型计算机和外部设备间的数据传输

第七章微型计算机和外设间的数据传输7.1概述•输入/输出：计算机通过外部设备同外部世界通信或交换数据。•I/O接口电路（简称I/O接口）：把外部设备同计算机连接起来实现数据传送的控制电路。为什么要采用I/O接口电路？•外设处理信息的类型、速度、通信方式与CPU不匹配，不能直接挂在总线上，必须通过接口和系统相连。说明•计算机和存储器之间也是要交换信息的，但计算机和存储器之间并没有专门的接口电路，原因就在于计算机和存储器的工作速度基本上是匹配的，信号的形式也是一致的。如果存储器的速度较慢，可以通过增加等待周期来解决。•而外设和计算机的工作速度相差太大，不可能通过增加等待周期的方式来解决两者速度的不一致。使用接口电路则是必然的。7.2CPU和I/O设备间的信号•7.2.1CPU与I/O之间的接口信号•接口电路中的信息–1.数据信息–2.状态信息–3.控制信息•接口和端口为了区分以上所述的三种信息，在接口部件中都包含一组寄存器，分别对应不同的外设地址，CPU和外设交换信息时，将三种不同的信息，送入不同的寄存器：–数据送入数据寄存器，状态信息就送入状态寄存器，等等。–这些寄存器就称为端口（PORT）。不同的端口有不同的地址，不同的端口存放不同的信息。8086/8088CPU用地址总线的低16位作为对8位I/O端口的寻址线，所以8086CPU可访问的8位I/O端口有65536个。两个编号相邻的8位端口可以组成一个16位的端口。一个8位的I／O设备既可以连接在数据总线的高8位上，也可以连接在数据总线的低8位上。7.2.2I/O端口及其寻址方式•1.存储器映像的I/O寻址方式（I/O端口和存储器统一编址）–即存储器和外设共同分享CPU的寻址空间。一般，存储器占用较多的寻址空间，而外设（I/O接口）占用较少的寻址空间。–在这种情况下，CPU可以用对存储器的操作指令来对外设进行操作，两者对CPU来说，实际上是相同的。即不需要专用的对外设操作的指令。–外设和存储器的区别就在于地址。–MCS-51单片机就是这种编址方式。2.I/O端口和存储器统一编址•特点–I/O端口相当于内存的一部分,使内存容量减小。–对I/O端口的读/写与对存储器的读/写相同，所有可对内存操作的指令对I/O端口均可使用。–指令系统中不专设I/O指令。I/O端口单独编址•这时，存储器和I/O接口，各自都有自己的地址范围，而且这些地址在数值上可以是重叠的。也就是不能用地址来区别存储器和外设。•端口与存储器分别独立编址，端口不占用内存空间。•设有专门的I/O指令对端口进行读写，对内存操作的指令不能用于I/O端口。输入输出指令共有两条。输入指令IN用于从外设端口读入数据，输出指令OUT则向端口发送数据。无论是读入的数据或是准备发送的数据都必须放在寄存器AL(字节)或AX(字)中(不用AH寄存器)。输入输出指令可以分为两大类：一类是端口直接寻址的输入输出指令；另一类是端口通过DX寄存器间接寻址的输入输出指令。在直接寻址的指令中只能寻址256个端口(0～255)，而间接寻址的指令中可寻址64K个端口(0～65535)。输入输出指令（第3章P58）输入指令IN(INputbyteorword)INAL，i8；字节输入，AL←端口i8INAX，i8；字输入，AL←端口i8,AH←端口i8+1INAL，DX；字节输入，AL←端口[DX]INAX，DX；字输入，AL←端口[DX],AH←[DX+1]注释：①“i8”从形式上来说是立即数，实际上是端口地址，因而指令的寻址方式为直接寻址。②“MOV”指令中，直接寻址要加中括号，输入输出指令不加。（MOVAL,[2000H]；INAL,25H）③第三、四两条指令为寄存器间接寻址，但对DX不加中括号。（moval,[bx]；inal,dx）地址FFH地址FFH1)输入指令IN输出指令OUT(OUTputbyteorword)OUTi8，AL；字节输出，端口i8←ALOUTi8，AX；字输出，端口i8←AL，端口i8+1←AHOUTDX，AL；字节输出，端口[DX]←ALOUTDX，AX；字输出，端口[DX]←AL，[DX+1]←AH注释：①输入输出指令从寻址方式来说分成两种：直接寻址和寄存器DX间接寻址。如果要访问的端口地址在0～255之间，既可以用直接寻址，也可以用DX间接寻址；如果要访问的端口地址≥256，则只能用DX间接寻址。②另外，输入输出指令中可用的数据寄存器只能是AL和AX，其他寄存器不可使用。③不影响标志。2)输出指令OUT1.INAL，205H7.MOVAX，55AAH2.INAX，20HMOVDX，3FCH3.INAL，25HOUTDX，AX4.INAH，0FFH8.MOVAH，865.MOVDX，2050HOUT25H，AHOUTDX，AL9.INAL，25H6.MOVDX，2050HMOVBL，ALINBX，DXINAL，36H(OUTDX,BX)MOVBH,AL(×)(×)(×)(×)(×)例题：（对错混合）7.3CPU和外设之间的数据传送方式•7.3.1无条件传送方式–无条件是指CPU不管外设的状态，在需要和外设交换信息的时候，就用输入或输出指令和外设交换信息。–在这种方式下，CPU和外设之间只有数据信息的传送，没有状态信息的传送。–但无条件传送，不等于不需要接口电路，只是接口电路可以比较简单，因为只有数据的通道，一般就只有输出锁存器和输入缓冲器。例7-1如下图所示为采用无条件传送方式控制的电路，输入接口中自带有数据缓冲器，输出接口中自带有锁存器，控制开关K0～K2打开则对应发光二极管Q0～Q2亮，开关闭合则对应发光二极管不亮。编写这段控制程序。解：DON：INAL，IN_PORT；读入B口开关状态XORAL，0FFH；求反OUTOUT_PORT，AL；点亮对应发光二极管JMPDONHLT7.3.2查询传送方式（异步传送方式）这种方式，CPU要遵循“先查询，后传送”的原则，保证只有在外设已经是在“准备好”状态，才开始传送数据。–查询式传送的一般流程：•先从状态口读入状态字；•如果状态是“准备好”，开始传送；•如果状态是“没有准备好”，则继续查询，直到“准备好”，开始传送。•1.查询式输入•查询式输入的程序流程图：例7-2查询传送输入接口电路如下图所示：8位锁存器与8位三态缓冲器构成数据寄存器，该接口的输入端连接输入设备，输出端直接与系统的数据总线相连。状态寄存器由D触发器和1位三态缓冲器构成。输入设备可通过控制信号对该状态口进行控制，CPU可通过数据线D7访问该状态口。编写查询输入控制程序。•查询输入的部分程序：MOVDX，STATUS_PORT；DX指向状态端口START：INAL，DX；读状态端口信息TESTAL，80H；测试状态标志位D7JZSTART；D7=0，外设未准备好，继续查询MOVDX，DATA_PORT；DX指向数据端口INAL,DX；从数据端口输入数据RET输入输出传送方式•2.查询式输出•查询式输出流程图：例7-3下图所示接口电路中：8位锁存器作为数据寄存器，其输入端与数据线相连，输出端连接输出设备。状态寄存器由D触发器和1位三态缓冲器构成，CPU则可利用数据线D0输入该状态口的信息。编写查询输出控制程序。查询式输出的相应程序段为：MOVDX，STATUS_POR；DX指向状态端口START：INAL，DX；读状态端口信息TESTAL，01H；测试状态标志位D7，JZSTART；D7=0，继续查询MOVDX，DATA_PORT；DX指向数据端口MOVAL，BUF；取数据OUTDX，AL；向外设输出数据RET解：当输出设备将数据输出后，会发出一个ACK信号，使D触发器翻转为0(BUSY信号由1变0会触发ACK翻转）。CPU查询到这个状态信息后，知道外设空闲，于是就执行输出指令，将新的输出数据送至8位锁存器。同时，将D触发器置为1，通知外设进行数据输出操作，同时，在输出设备尚未完成输出之前，一直维持D触发器输出为1，阻止CPU输出新的数据。•查询方式的优点：CPU和外设之间可以很好地配合工作。•缺点：CPU要长期地查询外设的状态，查询实际上就是一种等待。CPU长期的等待会影响CPU的工作效率。•例7-4如下图所示，试编程实现将48000H为首地址的顺序100个单元的数据，利用查询方式输出到外设。解:程序如下：START:MOVAX,4000HMOVDS,AXMOVSI,8000HMOVCX,100GOON:MOVDX,00F1HWAIT:INAL,DXANDAL,01HJZWAITMOVAL,[SI]MOVDX,00F0HOUTDX,ALINCSILOOPGOONRET7.3.3中断传送方式•中断方式是由外设向CPU发出要求交换数据的请求，即中断请求。CPU收到中断请求后，中断当前的工作，为外设服务。服务结束（输入或输出）后，继续原来的工作。•中断方式不要求CPU等待或查询，可以大大地提高CPU工作效率。但接口电路比较复杂。7.3.4DMA方式•DMA方式，是由DMA控制器来控制数据从外设到存储器的直接传送。CPU不参与DMA传送的控制。•中断方式仍然是指令控制下的传送，为了进一步提高传送速度，希望传送直接是在硬件控制下完成。•DMA方式是速度最快的外设和存储器交换信息的方式。1.DMA传送的工作原理2.DMA控制器的基本功能（1）能接受外设的DMA请求信号DMARQ，并能向外设发出DMA响应信号DMAAK；（2）能向CPU发出总线请求信号（HRQ），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。3.DMA操作方式（1）单字节方式在单字节操作方式下，DMA控制器操作每次只传送一个字节。即获得总线控制权后，每传送完一个字节的数据，便将总线控制权还给CPU，按这种工作方式，即使有一个数据块要传送，也只能传送完一个字节后，由DMA控制器重新向CPU申请总线。（2）字组方式字组操作方式也叫请求方式或查询方式。这种方式下一个DMA请求能够连续传送一批数据。在此期间，DMA控制器一直保持总线控制权。当DMA请求无效，数据传送结束，或检索到匹配字节，以及外加一个过程结束信号时，DMA控制器便释放总线控制权。（3）连续方式连续操作方式是指在数据块传送的整个过程中，不管DMA请求是否撤消，DMA控制器始终控制着总线。除非传送结束或检索到“匹配字节”，才把总线控制权交回CPU。在传送过程中，当DMA请求失效时，DMA控制器将等待它变为有效，却并不释放总线。简单I/O接口扩展实验•原理框图CPU74LS24474LS273……K1K2K8LED1LED2LED8三大总线I/O接口外设内存简单I/O接口扩展实验•1、题目要求：当只有K1向上时，LED1亮；当只有K2向上时，LED2亮；当K1、K2均向上时，LED1、LED2均不亮；当K1、K2均向下时，LED1、LED2均亮。•2、接线：CS244接CS0（地址04A0～04AF偶地址有效），CS273接CS1（地址04B0～04BF偶地址有效）；K1接IN0，K2接IN1；LED1接D0，LED2接D1。•注：1）、对LED灯来说，输入0时灯亮，输入1时灯灭。2）、对开关来说，开关向上拨时输出0，开关向下拨时输出1。简单I/O接口扩展实验•3、分析K1K2LED1LED20011010110101100简单I/O接口扩展实验•编程codesegmentpublicassumecs:codeorg100hstart:movdx,04a0h;74LS244地址inal,dx;读输入开关量ANDal,03hcmpal,00hJZQ1CMPAL,01HJZQ2CMPAL,02HJZQ3MOVAL,00HJMPABCQ1:MOVAL,0