微型计算机与外设之间的数据传输

1、第 6 章 计算机和外设之间的数据传输本章学习要点 输入输出接口技术的概念和功能 I /o端口的编址方式 输入输出控制方式 可编程控制器8237A的应用6 1 本章知识重点611 输入输出接口技术的基本概念1 输入输出接口的概念输入输出接口简称I /O接口，它是指CPU和存储器、外部设备或者两种外部设备之间， 或者两种机器之间通过系统总线进行连接的逻辑部件(或称电路)，它是CPU与外界进行信息交换的中转站。2 输入输出接口的功能(1) 数据缓冲功能：CPU和外设速度不匹配的问题可以通过在接口电路中设置数据缓冲 来解决，数据缓冲经常使用锁存器和缓冲器，并配以适当的联络信号来实现这种功能。(2) 信号转换功能：外部设备大都是复杂的机电设备，其信号电平大多是 TTL电平或CMOS电平，需要用接口电路来完成信号的电平转换。(3) 对外设的控制和检测功能：接口电路接受CPU送来的命令或控制信号、定时信号，实施对外设的控制与管理，外设的工作状态和应答信号也通过接口及时返回给CPU以握手联络信号来保证主机和外部输入输出操作的同步。(4) 设备选择功能：系统中一般带有多种外设，同一种外设也可能由多台，

2、而CPU在同一时间里只能与一台外设交换信息， 这就要借助于接口的地址译码以选定外设。 只有被选定 的外部设备才能与 CPUS行数据交换。(5) 中断或DMA管理功能：为了满足实时|生和主机与外设并行工作的要求需要采用中断传送的方式，为了提高传送的速率有时又采用DMA专送方式，这就要求接口有产生中断请求和DMA青求的能力以及管理中断和 DMA勺能力。(6) 可编程功能：现在的接口芯片大多数都是可编程的，这样在不改变硬件的情况下， 只需修改程序就可以改变接口的工作方式， 大大增加了接口的灵活性和可扩充性， 使接口向 智能化方向发展。3 . CPU与I / O接口之间传递的信息类型，CPU与I /O设备之间要传送的信息，通常包括数据信息、状态信息和控制信息。(1) 数据信息：是CPU与外设交换的基本信息，有数字量、模拟量和开关量等。(2) 状态信息：反映外设当前所处的工作状态，以便CPU对外设进行监视。(3) 控制信息：是CPU通过接口发给外设的，用来控制外设的工作。在微型计算机中， 状态信息、 控制信息实际上也是一种数据信息， 即状态信息为一种输 入数据，而控制信息则为一种输出数据，均通过

3、数据总线传送。CPU送往外设的数据或者外设送往CPU的数据先进入接口的数据缓冲器； 从外设送往CPU的状态信息放在接口的状态寄 存器中；而CPU送往外设的控制信息则送到接口的控制寄存器中。4 I 0端口的编址方式(1) 统一编址这种编址方式是把每一个端口视为一个存储器单元，并赋予相应的存储器地址，CPU访问端口就如同访问存储器，只是地址不同而已，所有访问内存的指令都适用于I/O端口。由于端口地址被映像到存储空间作为存储空间的一部分，因此这种编址方法又称为 “存储器 映像编址”。主要优点：对 I 0 接口的操作与对存储器的操作完全相同，任何存储器操作指令都可 用来操作I /O接口，而不必使用专用的 I /0指令，这可大大增强系统的U0功能，使访问外设端口的操作方便、灵活；可以使外设数目或I/0寄存器数目几乎不受限制，从而大大增加系统的吞吐率；可以使微型计算机系统的读写控制逻辑较简单。主要缺点： 占用了存储器的一部分地址空间， 使可用的内存空间减少； 访问内存的指令 一般较长，执行速度较慢；为了识别一个I/0端口，必须对全部地址线译码，这样不仅增加了地址译码电路的复杂性，而且使执行外设寻址

4、的操作时间相对增长。(2) 独立编址这种编址方式是将 I 0端口单独编址，不占用存储空间，即两者的地址空间是互相独 立的，不会影响到存储器的地址空间。采用这种编址方式时，CPU访问F0端口必须采用专用的 I 0指令，所以也叫专用 I 0指令方式。这种编址方式的优点是节省内存空间。由于系统需要的 I 0端口寄存器一般比存储器 单元要少得多，故I/0地址线较少，因此I/0端口地址译码较简单，寻址速度较快。缺点 是专用 I 0指令类型少，远不如存储器访问指令丰富，使程序设计灵活性较差，且使用I/0指令一般只能在累加器和 I/0端口交换信息，处理能力不如存储器映像方式强。 6-1-2 CPU 与外设之间的数据传送方式1 程序控制方式程序控制方式是指 CPU与外设之间的数据传送是在程序控制下完成，它又可分成无条件传送和条件传送两种方式。(1) 无条件传送无条件传送方式也称为同步传送方式， 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。(2) 条件传送方式条件传送方式也称为查询传送方式。传送数据前，CPU要先执行一条输入指令，从外设的状态口读取它的当前状态。 如果外设未准备好

5、数据或处于忙碌状态， 则程序要反复执行读 状态指令，不断检测外设状态；如果该外设的输入数据已准备好，CPU便可从外设读入数据。优点：简单，可以编制程序控制数据传送。缺点：无条件传送方式的应用受到很大限制， 条件传送方式在设备未准备就绪时， 必须 反复查询，进入循环等待状态，导致CPU的工作效率严重降低。2 中断控制方式采用中断控制方式后，CPU平时执行主程序，只有当输入设备将数据准备好了，或者输出端口的数据缓冲器已空时，才向CPU发中断请求。CPU响应中断后，暂停执行当前的程序，转去执行管理外设的中断服务程序。在中断服务程序中，用输入或输出指令在 CPU和外设之间进行一次数据交换，等输入或输出操作完成之后，CPU又回去执行原来的程序。优点：CPU的工作效率可以大大提高。缺点：每进行一次数据传送，CPU都要执行一次中断服务程序。这时，CPU要保护和恢复断点， 通常还要执行一系列保护和恢复寄存器的指令， 即保护现场， 以便完成中断处理后 能正确返回主程序。显然，这些操作与数据传送没有直接关系，但会花费掉CPU的不少时间。所以，在这段时间内执行部件和总线接口部件就不能并行工作，这也会造成数据

6、传输效率的降低。3 . DMA控制方式DMA控制方式是利用系统的数据总线、地址总线和控制总线来传送数据。当外设需要利用DMA方式进行数据传送时，接口电路可以向CPU提出请求，要求 CPU让出对总线的控制权， 用DMA控制器来取代CPU临时接管总线，控制外设和存储器之间直接进行高速的数据传送， 而不要CPU进行干预。这种控制方式能给出访问内存所需要的地址信息， 并能自动修改地址指针， 也能设定和 修改传送的字节数，还能向存储器和外设发出相应的读/写控制信号。在DMA专送结束后，它能释放总线，把对总线的控制权又交给CPU可见，用DMA方式传输数据时，不需要进行保护和恢复断点及现场之类的额外操作，一旦进入DMA操作，就可直接在硬件的控制下快速完成一批数据的交换任务，数据传送的速度基本上取决于外设和存储器的存取速度。6-1-3 8237A DMA 控制器1. 8237A的工作状态8237A DMA控制器有两种不同的工作状态。(1) 在DMA控制器未取得总线控制权时必须由 CPU对DMA控制器进行编程，这时 CPU处于主 控状态，而DMA控制器就和一般的 V0芯片一样，是系统总线的从设备， DM

7、A控制器的这种 工作方式称为从态方式。(2) 当DMA控制器取得总线控制权后，系统就完全在它的控制之下，使V0设备和存储器之间或存储器与存储器之间进行直接的数据传送，DMA控制器的这种工作方式称为主态方式。2. 8237A的内部结构8237A的内部结构主要由 5个部分组成：(1) 时序与控制逻辑：从态时，该部分电路接受系统送来的时钟、复位、片选和读/写控制 等信号，完成相应的控制操作；主态时则向系统发出相应的控制信号。优先级编码电路：对同时提出DMA青求的多个通道进行排队判优，决定哪一个通道的优先级最高。(3) 数据和地址缓冲器组：是三态缓冲器，可以接管或释放总线。(4) 命令控制逻辑：接收或发出各种控制命令。(5) 内部寄存器：每个通道都有基地址寄存器、基字计数器、当前地址寄存器、当前字节计 数器和工作方式寄存器。 还有命令寄存器、屏蔽寄存器、 青求寄存器、 状态寄存器和暂存寄 存器共用。 上述这些寄存器均是可编程寄存器。 另外还有字数暂存器和地址暂存器等不可编 程的寄存器。3. 8237A内部寄存器功能及格式(1) 当前地址寄存器：16位，用于存放DMA专送的存储器地址值。每传送一

8、个数据，地址值 自动增 1 或减 1 ，以指向下一个存储单元。(2) 当前字节计数寄存器：16位，保存当前DMA专送的字节数。每次传送以后，字节计数器 减1。(3) 基地址寄存器：16位，用来存放对应通道当前地址寄存器的初值，是在CPU对DMA控制器进行编程时，与当前地址寄存器的值一起被写入的。(4) 基字节计数寄存器： 16 位，用于存放对应通道当前字节计数器的初值。(5) 命令寄存器：8位，编程时，CPU对其写入命令字来控制 8237A的操作。(6) 工作方式寄存器：8位，用于指定 DMA的操作类型、传送方式、是否自动预置和传送一 字节数据后地址是按增 1 还是减 1 修改。8237A 进行DMA专送时，有4种传送方式：单字节传送方式：该方式下，每一次DMA操作只传送个字节的数据。传送后字节计数器减1,地址寄存器加1或减1(由D5位决定)，保持请求信号 HQR6效，并释放系统总 线。当字节计数器由 0减为FFFFH时，产生终止信号 TG数据块传送方式：在每次 DREQT效后，若CPU响应其请求让出总线控制权给8237A,8237A就会连续传送数据，直到字节汁数器计数由0减为FFFF

9、H产生TC信号或外部送来有效的/EOP信号时，才将总线控制权交给CPU结束DMA服务。 请求传送方式：当 DREC有效，若CPU让出总线控制权，8237A进行DMA服务。每传送一个字节都将测试 DRE Q以确定是否继续传送。若DREC一直有效，则连续传送数据，直至字节计数器减为 FFFFH或外部送来有效的/EOP信号，或DRE(变为无效时为止。 级联传送方式：该方式用于将多个8237A连在一起，以便扩充系统的DMA通道。(7) 请求寄存器：请求寄存器就是用于由软件发出DREQ言号请求DMA服务的设备。(8) 屏蔽寄存器：当某通道的屏蔽标志位置I时，禁止该通道的 DREQ青求，并禁止该通道DMA操作。分通道屏蔽字和主屏蔽字。(9) 状态寄存器：用来存放状态信息，可供CPU卖出。(10) 暂存寄存器：用来暂存从源地址单元读出的数据。(11) 软件命令：8237A设置了 3条软件命令：主清除命令、清除字节指示器命令和清除屏蔽 寄存器命令。主清除命令： 该命令能清除命令寄存器、状态寄存器、 各通道的请求标志位、暂存寄 存器和字节指示器，并把个通道的屏蔽标志位置1,使8237A进入空闲周期。清除字节指示器命令：该命令用来清除字节指示器。清除屏蔽寄存器命令：该命令清除 4 个通道的全部屏蔽位,使各通道均能接受 DMA 请求。4. 8237A的初始化编程8237A的初始化编程主要有一下个方面：(1)输出主清除命令，使 8237A处于复位状态，以接收新的命令。 写入工作方式寄存器，以确定8237A工作方式和传送类型。写入命令寄存器，以控制8237A的上作。

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