!微机原理讲义(第5章计算机和外设的数据传输W6)

第五章微型计算机接口和外设的数据传输管理与信息工程学院王志辉•逻辑地址转换为线性地址的步骤？3GDTR（TI=0）/LDTR（TI=1）索引TIRPL偏移量虚拟地址（48位）段描述符……段基址索引×8线形地址GDT/LDT表基址描述符索引TIGDTR（TI=0）/LDTR（TI=1）GDT/LDT段描述符偏移量（32b）逻辑地址转换为线性地址线形地址•线性地址转换物理地址的步骤？页目录索引页表项索引页目录项低12位补0为页表基址页目录项地址高20位页表项高20位的页码页表项低12位补0为页基址表码补0得32位表基址本章内容为什么要用接口电路接口部件的I/O端口接口的功能以及在系统中的连接CPU和输入/输出设备之间的信号CPU和外设之间的数据传输方式为什么要用接口；CPU和输入/输出设备之间的信号；接口的功能以及在系统中的连接；中断传输的原理；DMA方式的原理；输入/输出过程中接口部件和地址总线错位连接的原理。本章重点•观看接口视频知识点回顾,一下分别是什么寻址方式？8086cpu的寻址方式MOVAX,3000HMOVAX,BXMOVAX,[3000H]MOVAX,[BX+2000H]INAL,30HOUT30H,ALI/O接口概述•接口电路按功能可分为两类:•使微处理器正常工作所需的辅助电路•输入输出接口电路•输入输出接口电路是为了解决计算机和外设之间的信息变换和缓冲问题而提出来的。•接口技术专门研究CPU和外设之间的数据传送方式、接口电路的工作原理和使用方法。CPU接口电路I/O设备接口在CPU与外设之间•外部设备功能多种多样，原理各不相同，而存储器功能单一•外部设备的信息既有数字式，又有模拟式，需要A/D或者D/A接口转换•多个外设共享总线，信息有串行和并行，而CPU只能接收和发送并行信息•外设速度低且各不相同，需要接口电路对I/O过程实现缓冲和联络大家想一想，为什么需要I/O接口（电路）？总之，对输入设备而言，接口的目的是将输入设备送来的信息变换成CPU能接收的格式（信息变换），并将其放在缓冲器中让CPU来接收（缓冲）。对输出设备而言，接口将CPU送来的数据放到缓冲器中（缓冲），并将它变成外部设备所需要的信息形式（信息变换）。5.2CPU和输入输出设备之间的信号•CPU和输入输出设备之间有以下几类信号:数据信息状态信息控制信息信号数字量模拟量开关量CPU和输入/输出设备之间的信号数据信息•数字量：二进制形式数据或以ASCII码表示的数据和字符•模拟量：用于控制的计算机系统中，一般要进行A/D转换和D/A转换•开关量：表示两个状态，如开关的接通和断开、电机的运转和停止、阀门的打开和关闭等状态信息：反映当前外设的工作状态,如READY、BUSY信号控制信息：CPU通过接口传送给外设，控制外设的工作。如外设的启动和停止信号•状态信息和控制信息被广义的看成数据信息，即状态信息作为输入数据，控制信息作为输出信息，因而这两种信息也通过数据总线传送。•以上三种信息在接口中，被存入不同的寄存器中。1.数据信息放在接口的数据缓冲器中；2.控制信息送到接口的控制寄存器中；3.状态信息放在接口的状态寄存器中；I/O接口中都包含一组能被CPU直接访问的一些寄存器，这些寄存器就称为I/O端口。每个寄存器称为I/O接口电路的一个端口，每个端口都有一个端口地址。一、I/O端口5.3接口部件的I/O端口共用同一端口地址数据输入、输出寄存器：缓存数据控制寄存器：存放CPU发出的命令和控制信息状态寄存器：存放外部设备或者接口本身的状态共用同一端口地址外设通过接口和系统的连接Cpu对外设进行输入输出操作对接口芯片中各端口进行读写操作两种编址方式：与存储器统一编址：访问内存的指令也可访问I/O端口I/O端口独立编址：通过控制总线确定CPU是访问内存还是I/O端口，需要专用的输入/输出指令说明•输入、输出是站在CPU角度来讲的•不管是输入还是输出，所用的地址总是对端口而言•一个双向工作接口芯片有4个端口：数据输入端口、数据输出端口、状态端口和控制端口•数据输入端口和状态端口是“只读”的（为什么？？）•数据输出端口和控制端口是“只写”的（为什么？？）•数据输入和输出共用一个端口，状态和控制共用一个端口•数据口（输入/输出）：双向•状态口：只能由CPU读入。•控制口：只能由CPU写出。5.4接口的功能以及在系统中的连接•寻址功能•输入/输出功能•数据转换功能•联络功能•中断管理功能•复位功能•可编程功能•错误检测功能接口的功能接口的基本功能基本功能：在系统总线和I/O设备之间传输信号,提供信号变换和缓冲作用。6.4接口的功能以及在系统中的连接1.寻址功能识别区别存储器和I/O的信号识别片选信号选择接口中的寄存器6.4接口的功能以及在系统中的连接•根据读写信号判断传输方向；•传输数据、控制和状态信息。2.输入输出功能3.数据转换功能把CPU的并行数据转换成一些外设所需的串行数据；把外设的串行信息转换成并行数据送往CPU。6.4接口的功能以及在系统中的连接•发送中断请求和接收中断响应•发送中断类型号•优先级管理功能4.联络功能当数据传送完后，能通知CPU。5.中断管理功能6.4接口的功能以及在系统中的连接6.复位功能接收复位信号7.可编程功能可以用软件使其工作于不同的方式用软件来设置控制信号传输错误：接口与设备之间的连线受到各种干扰采用奇/偶校验对传输错误进行检测发现错误后对状态寄存器中的相应位置位覆盖错误：输入时，CPU还没有从数据输入寄存器取走数据，输入寄存器又装上了新数据。发现错误后对状态寄存器中的相应位置位。8.错误检测功能当前多数可编程接口芯片能检测下列两类错误：传输错误；覆盖错误I/O接口和外部连接示意图接口部件组成：与I/O设备相连与系统总线相连逻辑电路把相应的控制信号转换成接口的联络信号将总线提供的地址转换成片选信号用地址译码器中的1~2低位地址结合读/写信号对接口内部寄存器的寻址。即是用读信号、写信号和地址A0区分4个寄存器5.4CPU和外设之间的数据传送方式主机与外围设备之间的数据传送控制方式主要有三种：•程序方式•无条件传送•查询式传送•中断方式•DMA方式程序方式指在程序控制下进行信息传送。1.无条件传送方式•适用于总是处于准备好状态的外设。•以下外设可采用无条件传送方式：•开关•发光器件(如发光二极管、7段数码管、灯泡等)•继电器•步进电机•优点：软件及接口硬件简单•缺点：只适用于简单外设，适应范围较窄说明：①传送不能太频繁，以保证每次传送时，外设处于就绪状态。②此方式用得较少，只用在对一些简单外调的操作。6.5.1程序方式——无条件传送无条件传送方式输出时，M/IO和WR有效？使得CPU送来的数据在输出端保持和外设动作相应的时间输入指令时，RD有效？IO有效，输入缓冲器被选定，将输入数据进入DB，再到达CPU。6.5.1程序方式——无条件传送例1：输入：INAL，80H；将80H端口的内容送AL。IO/M=0，RD=0，AL=10H例2：输出：OUT82H，AL；AL=10H将AL中的内容送82H端口。IO/M=?，WR=?，AL=?，[82H]=？6.5.1程序方式－无条件传送方式2.条件传送方式——查询式传送•（1）条件传送的概念•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。•（2）条件传送的三个环节：•CPU从接口中读取状态字•CPU检测状态字的对应位判别外设是否就绪•传送数据•（3）适用场合：•外设并不总是准备好，对传送速率和效率要求不高。条件传送的3个环节：•查询状态环节•CPU寻址状态口，读取状态字•检测是否满足“就绪”条件•如果不满足，回到第一步读取状态字；•数据传送环节•外设已处于“就绪”状态，寻址数据口•是输入，通过输入指令从数据端口读入数据•是输出，通过输出指令向数据端口输出数据输入状态就绪？数据交换YN流程5.5.1程序方式－条件传送方式输入指令测试转移指令传送指令2.条件传送方式①CPU从接口中读取状态字②CPU检测状态字，若未“就绪”，则转1③如“就绪”状态，则传送数据图6.4查询式输入的接口触发器图6.5查询式输出的接口•查询式输入过程的流程图•查询式输入/输出操作小结：•CPU查询外设状态是否忙,•不忙,表示已有数据准备输入到CPU或者接口准备好从CPU接收数据时，可以执行输入/输出操作;•否则等待。查询传送方式小结•CPU需要先了解（查询）外设的工作状态，然后在外设可以交换信息的情况下（就绪）实现数据输入或输出，否则等待•对多个外设的情况，则CPU按一定顺序依次查询（轮询）。先查询的外设将优先进行数据交换•查询传送的特点是：工作可靠，适用面宽，但传送效率低6.4CPU和外设之间的数据传送方式主机与外围设备之间的数据传送控制方式主要有三种：•程序方式•无条件传送•查询式传送•中断方式•DMA方式I/O中断的产生以打印机为例发中断请求空闲接收数据接收数据准备发中断请求打印打印打印机执行主程序继续执行主程序继续执行主程序响应中断中断返回响应中断中断返回启动打印机传送数据传送数据CPUCPU与打印机并行工作6.4.2中断方式断点主程序中断服务程序中断请求对外设进行处理继续执行返回断点•CPU在执行程序中，被内部或外部的事件所打断，转去执行一段预先安排好的中断服务程序；服务结束后，又返回原来的断点，继续执行原来的程序流程①中断方式即为外设中断CPU的工作，外设具有主动权。②CPU不必在两次输入/输出之间对接口进行状态测试和等待，而可做别的处理工作。③该种方式下，CPU和外设处于并行工作状态。④中断方式大大提高了CPU的工作效率。中断方式中断方式输入的接口电路中断请求信号，Pentium中断引脚为NMI和INTR当IF位为1时，才会产生该信号中断屏蔽触发器的状态为1还是0决定是否允许本接口发出中断请求图5.8可屏蔽中断的响应和执行(P190)请先自学并且讲解！W8-2•外部设备功能多种多样，原理各不相同，而存储器功能单一•外部设备的信息既有数字式，又有模拟式，需要A/D或者D/A接口转换•多个外设共享总线，信息有串行和并行，而CPU只能接收和发送并行信息•外设速度低且各不相同，需要接口电路对I/O过程实现缓冲和联络为什么需要I/O接口（电路）？CPU和输入输出设备之间的信号有哪几类？CPU和输入输出设备之间的信号有哪几类？数据信息状态信息控制信息信号数字量模拟量开关量•一个双向工作接口芯片有几个端口？•其工作状态分别是什么？说明•输入、输出是站在CPU角度来讲的！•不管是输入还是输出，所用的地址总是对端口而言！•一个双向工作接口芯片有4个端口：数据输入端口、数据输出端口、状态端口和控制端口。•数据输入端口和状态端口是“只读”的•数据输出端口和控制端口是“只写”的•数据输入和输出共用一个端口，状态和控制共用一个端口•数据口（输入/输出）：双向•状态口：只能由CPU读入。•控制口：只能由CPU写出。•寻址功能•输入/输出功能•数据转换功能•联络功能•中断管理功能•复位功能•可编程功能•错误检测功能接口的功能有哪些？2.中断优先级问题的解决•多个中断源产生中断，CPU首先为谁服务？——中断优先级排队问题。(1)解决中断优先级的三种办法：•软件查询方式•简单硬件方式——菊花链法•专用硬件方式——可编程的中断控制器(2)三种方法的原理•软件查询方式：利用带优先级的查询程序•优点——硬件电路简单；•缺点——转入服务程序花费时间较长。•简单硬件方式——菊花链法：在每个外设对应的接口上连接一个逻辑电路，这些逻辑电路构成一个菊花链。2.中断优先级问题的解决中断优先级菊花链及其逻辑电路(a)菊花链线路图•菊花链法是解决中断优先级的一个简单硬件方法。•其做法是在每个外设对应的接口上连接一个逻辑电路，这些逻辑电路构成一个链，称为菊花链。由菊花链来控制中断回答信号的通路。(b)菊花