计算机和外设之间的数据传输

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

6．1．1 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，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CPU进行数据交换。

(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传送方式，这就要求接口有产生中断请求和DMA请求的能力以及管理中断和DMA的能力。

(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UO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／O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／O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的操作时间相对增长。

(2)独立编址

这种编址方式是将I／O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FO端口必须采用专用的I／O指令，所以也叫专用I／O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／O端口寄存器一般比存储器单元要少得多，故I／O地址线较少，因此I／O端口地址译码较简单，寻址速度较快。缺点是专用I／O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 ／O指令一般只能在累加器和I／O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，