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第 6 章 微型计算机和外设之间的 数据传输. 第 6 章 微型计算机和外设之间的数据传输. 6.1 接口及接口技术 6.2 I/O 端口的编址方式 6.3 微处理器与 I/O 设备数据传送的几种方式. 教学目的和教学要求. 通过本章的学习，使学生掌握接口电路的基本概念、接口电路的主要功能、两种 I/O 端口的编址方式、 32 位微处理器采用 I/O 编址的译码、微处理器与 I/O 设备数据传送的查询式输入输出方式以及中断方式输入输出。 熟悉 32 位微处理器保护模式下的 I/O 空间，直接存储器存取（ DMA ）方式以及 I/O 处理器控制方式。.
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第6章 微型计算机和外设之间的数据传输 • 6.1 接口及接口技术 • 6.2 I/O 端口的编址方式 • 6.3 微处理器与I/O设备数据传送的几种方式
教学目的和教学要求 通过本章的学习，使学生掌握接口电路的基本概念、接口电路的主要功能、两种I/O端口的编址方式、32位微处理器采用I/O编址的译码、微处理器与I/O设备数据传送的查询式输入输出方式以及中断方式输入输出。 熟悉32位微处理器保护模式下的I/O空间，直接存储器存取（DMA）方式以及I/O处理器控制方式。
本章重点、难点 • 重点： • I/O端口的编址方式 • CPU与I/O设备数据传送的查询式输入输出方式以及中断方式输入输出 • 难点： • 微处理器与I/O设备数据传送的几种方式
6.1 接口及接口技术 6.1.1 接口电路的概述 所谓接口就是微处理器与外围设备之间的连接电路，它是两者之间进行信息交换时的必要通路，不同的外设有不同的输入/输出接口电路。例如，键盘输入有键盘接口电路，CRT显示器有显示器输出接口电路，打印机也有打印输出接口电路等等。 微型计算机系统的各类接口如图6-1所示：
CPU 接口 电路 I/O 设备 什么是I/O接口（电路）？ • I/O接口是位于系统与外设间、用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路 • PC机系统板的可编程接口芯片、I/O总线槽的电路板（适配器）都是接口电路
为什么需要I/O接口（电路）？ • 微机的外部设备多种多样 • 工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差别很大 • 它们不能与CPU直接相连 • 必须经过中间电路再与系统相连 • 这部分电路被称为I/O接口电路
什么是微机接口技术？ • 处理微机系统与外设间联系的技术 • 注意其软硬结合的特点 • 根据应用系统的需要，使用和构造相应的接口电路，编制配套的接口程序，支持和连接有关的设备
6.1.2 接口电路的主要功能 • 设备选择功能 • 数据缓冲功能 • 接收和执行CPU命令的功能 • 寄存外设状态的功能 • 信号的转换功能 • 数据宽度变换的功能 • 可编程功能
6.1.3 接口技术的发展及分类 微型计算机接口技术的发展，基本上是与微处理器的发展同步进行的。按照接口技术与接口随着微处理器的发展，可将接口电路分为四类: • 固定式接口电路 • 可编程接口电路 • 智能接口与通用外围接口 • 功能接口板
一、固定式接口电路 早期的微处理器多采用PMOS工艺，集成度低，系统结构与指令系统均比较简单，受半导体工艺的限制，接口芯片的集成度也不高，大都采用TTL与MSI工艺，计算机接口由小规模或中规模集成电路组合而成，要改变其功能与工作方式必须改变硬件连线才能实现，将这种简单接口电路称之为固定式接口电路。
二、可编程接口电路 16位微处理器（例如8086CPU）的出现，使微型计算机的发展进入了第二代，第二代微处理器采用了NMOS工艺，集成度明显提高，Intel公司推出的与此相适应的接口芯片有中断控制器8259A，并行I/O接口芯片8255A，定时/计数器8253／8254，DMA控制器8237A以及串行通信接口芯片8250等，这些芯片都是采用NMOS工艺的大规模集成（LSI）芯片，而且都是可编程的接口芯片，用户可以通过对接口芯片的在线编程，方便灵活地改变接口的工作方式。
三、智能接口与通用外围接口 Intel公司于1985年首次推出第三代微处理器80386，1989年又推出X86系列的第四代微处理器80486，这时代的芯片大都是采用了NMOS或CMOS工艺的超大规模集成（VLSI）芯片。与此相应，也开发出了大批集成度更高的接口器件。这一时期接口芯片的显著特点是应用了单片机作通用接口，使接口电路智能化。 智能化接口集单片机技术与接口技术于一体，可直接与外围设备相连，它是一种结构与功能接近于CPU的专用控制器，有独立的指令系统，通过编写完整的I/O管理程序和预处理程序，来实现对许多外设频繁的I/O进行管理，从而减轻了CPU管理I/O设备的负担，大大提高了微机系统的运行速度。
四 、功能接口板 由于微型计算机使用了各种统一的总线标准，例如：ISA、PCI、SCSI、USB等各种总线，因而从电气特性、机械特性及通信协议等方面都已标准化，开发商已为各种总线开发出了不同功能的专用接口板，可供用户选购，例如：PCI总线的ADC和DAC功能板，PCI的网卡，基于PCI的RS-232串行通行卡等。
6.2 I/O端口的编址方式 端口是接口电路中能被CPU直接访问的寄存器的地址。由于有的寄存器寄存的二进制信息专门用来被CPU读取，有的寄存器用于专门接收CPU发出来的数据，因此，被CPU访问的寄存器的地址分为输入端口和输出端口，故称为I/O端口。 微机给接口电路中的每个寄存器分配一个端口，即给每个寄存器分配一个地址，当CPU访问这些寄存器时，通过执行I/O指令，由I/O指令中给出的地址就从地址总线上发出去，经接口电路中的地址译码器译码后，便可以选中I/O指令中所指定的寄存器进行R/W访问。
6.2.1 两种I/O端口的编址方式 一、统一编址 从内存空间划出一部分地址空间留给I/O设备编址，CPU把I/O端口所指的寄存器当作存储单元进行访问，直接用访问内存的指令访问I/O寄存器，这种I/O端口的编址方式被称之为统一编址，或称为存储器映像的I/O编址方式。
统一编址优缺点 优点：不需要设立专门的I/O指令，用访问内存的指令就可以访问外设，指令类型多，功能齐全，还可以对端口进行算术运算，逻辑运算以及移位操作等。I/O端口空间不受限制。 缺点：是I/O端口占用了内存空间，减少了内存容量。
二、专门的I/O编址方式 接口电路中所有的I/O端口统一编址，而所有I/O端口建立的地址空间与内存地址空间是两个独立的地址空间，也常称这种方式为独立编址方式。
专用I/O编址的优缺点 优点：不占用内存空间，使用专门I/O指令访问I/O端口，I/O速度快。 缺点：CPU的引脚上必须具有能区分出访问内存还是访问I/O端口的信号，作为I/O接口电路中端口译码电路以及存储器片选译码电路的输入信号。
6.2.2 保护模式下的I/O空间 在实地址模式下，80486CPU采用存储器映像I/O编址方式访问I/O端口时，I/O端口占有物理地址从0地址开始的1MB存储空间中的任意地址，在实模式下，采用专门I/O编址方式时，占用0地址开始的64KBI/O地址空间中任意地址 。
当80486CPU运行在保护模式下，用存储器映像的I/O编址方式寻址，I/O端口可以被映像到物理地址从0地址开始的4GB存储空间中任意地址（0000 0000H～FFFF FFFFH），而采用专门I/O编址方式，I/O寻址的地址空间是从0地址开始的64KB（0000 0000H～0000 FFFFH）I/O地址空间中任意地址。
32位机在保护模式下，CPU对以上两种I/O寻址方式提供不同的保护机制。 32位机在保护模式下，CPU对以上两种I/O寻址方式提供不同的保护机制。 对于存储器映像I/O的保护由存储器分段与分页保护机制完成，同时还要避免使用系统数据缓冲地址空间被映像来作为I/O操作地址。 对于专用的I/O编址方式，只有当前的特权级（CPL）大于或等于I/O特权级（IOPL）时，即此时的CPL值必须小于或等于IOPL的数值，I/O指令才能被执行，反之，则I/O指令将不被执行，相应还要产生一个普通的保护故障。
在保护模式下，32位机任务状态段（TSS）中的I/O允许位，提供了另一种保护机制。I/O允许位中的每一位分别与一个8位的I/O端口相对应。当执行I/O操作时，虽然当前的特权级（CPL）大于或等于I/O特权级（IOPL），但CPU要检查I/O允许位中与该I/O端口对应的那一位，若该位为1，则禁止当前I/O操作的形成，若为0，则允许形成当前的I/O操作。在保护模式下，32位机任务状态段（TSS）中的I/O允许位，提供了另一种保护机制。I/O允许位中的每一位分别与一个8位的I/O端口相对应。当执行I/O操作时，虽然当前的特权级（CPL）大于或等于I/O特权级（IOPL），但CPU要检查I/O允许位中与该I/O端口对应的那一位，若该位为1，则禁止当前I/O操作的形成，若为0，则允许形成当前的I/O操作。 • 在虚拟8086模式下，所有的I/O操作均要受I/O允许位的限制 。
6.2.3 32位微处理器采用I/O编址的译码电路 一、8位数据端口与低8位数据线的连接
例如： MOV DX，3E0H IN AL，DX ； BE0* 有效，只读端口０ IN AX，DX ； BE1* 、BE0*有效， ；读端口1与读端口０ IN EAX，DX ； BE3* ～ BE0*均有效， ；读端口3～端口０
6.3 CPU与I/O设备数据传送的几种方式 6.3.1I/O接口电路的基本结构 一、I/O接口电路的连接
二、I/O接口电路中的基本寄存器 I/O接口电路中一般具有三种类型的基本寄存器，它们是用于存取数据的寄存器，存取命令信息的寄存器以及存取外设所处状态的寄存器,习惯上把这些寄存器称为端口。 1、数据端口 2、命令端口 3、状态端口
1．数据端口 • 用于中转数据信息。一种情况是CPU通过数据总线，将待传送给外设的数据先传送到数据端口，然后由I/O设备通过与I/O接口电路相连接的数据线取得该数据。 • 另一种情况是I/O设备首先将输入数据锁存于数据端口，然后，CPU通过数据端口将该数据读入CPU中。数据端口一般既有输出寄存器（或称输出锁存器），又有输入寄存器（或称输入锁存器）。
2、命令端口 用于传送对I/O设备的命令信息。CPU将命令信息通过数据总线写入I/O接口电路的命令寄存器中，然后传送到I/O设备，以便控制外设的操作。它由输出寄存器组成，命令端口是一个输出端口。
3、状态端口 用于传送外设所处的状态信息。状态端口是输入端口，CPU通过读取状态端口的数据，以此了解外设当前所处的工作状态，比如，如果是输入设备，则可以通过状态信息了解输入设备是否有了等待输入的新数据，如果是输出设备，CPU通过读入的状态信息，可以了解输出设备是否作好了接受CPU传送新数据的准备。显然，1bit的状态信息可以反应1个外设的两种状态，1个8位的状态端口则可以反应外设的8个状态信息。
总之，I/O接口电路中一般有数据端口、命令端口以及状态端口，每个端口地址是不相同的，CPU均通过数据总线来传送三种端口的数据。有些I/O接口中，还有中断控制逻辑电路，以便外设与CPU之间以中断方式进行输入或输出，其优点是可以提高CPU的工作效率。 总之，I/O接口电路中一般有数据端口、命令端口以及状态端口，每个端口地址是不相同的，CPU均通过数据总线来传送三种端口的数据。有些I/O接口中，还有中断控制逻辑电路，以便外设与CPU之间以中断方式进行输入或输出，其优点是可以提高CPU的工作效率。
6.3.2 CPU与I/O设备传输数据的几种方式 CPU以及I/O设备的种类繁多，CPU与I/O设备所构成的系统不可能完全相同，CPU与I/O设备之间传输数据的方式也不完全相同，接口电路的结构与功能也不同，驱动程序也不相同。 一般可以划分为五种传输数据的方式：无条件I/O传送方式、查询式输入输出方式、中断控制方式、DMA方式以及I/O处理器控制方式。
一、无条件输入输出方式 无条件输入输出方式是一种最简单的输入/输出控制方式，其I/O接口电路及软件比较简单，所有的操作均由执行程序来完成。 特点：输入接口电路总是准备好了等待输入给CPU的数据，输出接口电路总是准备好了接受来自CPU的数据。CPU无须查询I/O设备是否准备就绪，直接用汇编语言或高级语言编程，实现输入或输出操作。 此种方式的接口电路是查询式输入输出方式接口电路的基础。
二、查询式输入输出方式 1．查询式输入方式 当CPU采用查询方式从外设读取数据时，CPU必须首先从状态端口查询外设的数据是否已经准备好，确认已准备好后，才能执行一次数据输入操作 。
例：假设状态端口与数据端口的地址分别为300H和301H，状态信息从数据总线上的D0位读入CPU中，查询式输入程序段如下： 例：假设状态端口与数据端口的地址分别为300H和301H，状态信息从数据总线上的D0位读入CPU中，查询式输入程序段如下： MOV DX，300H ；状态口地址传送给DX ABC：IN AL，DX ；读入状态信息 TEST AL，01H ；AL∧01H，影响ZF标志 JZ ABC ；如果状态信息为0转ABC MOV DX，301H ；数据端口地址传送给DX IN AL，DX ；读入数据信息
2．查询式输出方式 当CPU采用查询方式向外设输出数据时，CPU必须首先从状态端口查询外设是否已经作好了接受CPU数据的准备，若没有准备好，则要继续查询，若准备好了，CPU便执行一次数据输出操作。
例：假设状态端口与数据端口的地址分别为3FOH和3F1H，状态信息从数据线上D7位读入CPU中，查询式输出程序段如下： 例：假设状态端口与数据端口的地址分别为3FOH和3F1H，状态信息从数据线上D7位读入CPU中，查询式输出程序段如下： MOV DX，3F0H ；状态口地址传送给DX CBA：IN AL，DX ；读入状态信息 TEST AL，80H ；AL∧80H，影响ZF标志 JZ CBA ；如果状态信息为0则转CBA MOV DX，3F1H ；数据端口地址传送给DX MOV AL，[SI] ；从内存读取数据给AL OUT DX，AL ；向数据口输出数据
6.3.2 CPU与I/O设备传输数据的几种方式 例【6-1】 一个查询式A/D转换的基本结构。在数据采集系统中，常采用查询式输入方式来实现A/D转换。运用这种A/D转换方式，也能满足大多监测与控制的实际需要。查询式A/D转换的基本结构图如图6-10：
设A/D转换为8位，而且假设、及的地址分别是302H、301H以及300H，如果要顺序采集CH0与CH1两道模拟信号，各采集100次，并将所采集的数据分别存入内存数据段内起始位置为0000H和1000H的内存空间，编写如下程序段：设A/D转换为8位，而且假设、及的地址分别是302H、301H以及300H，如果要顺序采集CH0与CH1两道模拟信号，各采集100次，并将所采集的数据分别存入内存数据段内起始位置为0000H和1000H的内存空间，编写如下程序段： MOV SI，0000H ；存放采集CH0数据的起始地址传送给SI MOV DI，1000H ；存放采集CH1数据的起始地址传送给DI MOV CX ，0064H BGN: MOV DX，300H ；y0* 通道地址给DX MOV AL，00000000B
OUT DX，AL ； 启动信号=0，选CH0 MOV AL，00001000B OUT DX，AL ；启动信号=1，仍选通CH0 MOV AL，00000000B OUT DX，AL ；启动信号=0，仍选通CH0 MOV DX，301H ； 状态口地址给DX ABC： IN AL，DX TEST AL，80H JZ ABC ；如果EOC=0继续查询
MOV DX，302H ； 数据口地址给DX IN AL， DX ； 读入转换后的数字量 MOV [SI]，AL ； CH0通道数字量存入内存 INC SI MOV DX，300H ； 选通道地址给DX MOV AL，0000 0001B OUT DX，AL ；启动信号=0，选CH1 MOV AL，0000 1001B OUT DX，AL ；启动信号=1，仍选通CH1 MOV AL，0000 0001B
OUT DX，AL ； 启动信号=0，仍选通CH1 MOV DX，301H ；状态口地址给DX CBA： IN AL， DX TEST AL， 80H ；读入EOC值 JZ CBA ；如果EOC=0，转CBA MOV DX，302H ；数据口地址给DX IN AL， DX ；读入CH1通道转换后数字量 MOV [DI]，AL ；CH1通道数字量存入内存 INC DI LOOP BGN
