微机原理 f5-接口与外设数据传送方式
微机原理
第五章
接口与外设数据传送方式
外设接口的一般结构
CPU可以直接连接内存（唯一），但是要通过接口再去连接外设（多样性）。
CPU向接口提出A(要求，协议等等)，接口再向外设提出B(要求 ，只要满足即可连接)。那么外设就可以独立发展。
I/O接口的基本功能
- 进行端口地址译码设备选择。
- 向CPU提供I/O设备的状态信息和进行命令译码。（隔离，可以理解为承上启下）
进行定时和相应时序控制。- 对传送数据进行缓冲。
微型计算机需要用外设接口的原因
隔离 转化 缓冲
- 可以使外设的工作方式多种多样。
- CPU只能识别数字量（’0’/’1’），而有些外设的信息是模拟（电压）量。（仅了解：接口需要完成一个AD转化的过程。）
- CPU只能处理并行（一次传递8/16位）的信息，而有些外设的信息是串行（按位加，加满8位再进行传递）的。
- CPU工作速度较快，而外设的工作速度慢得多。
- CPU与外设之间的信号电平有很多是不一致的。
CPU不能直接控制外设的原因
- CPU与外设二者的信号不兼容。
- CPU与外设的速度不匹配。
- 若不通过接口，而由CPU直接对外设进行控制，会使CPU处于应付与外设打交道之中，大大地降低了CPU的效率。
- 若外设直接由CPU控制，会使外设的硬件结构依赖于CPU，对外设本身的发展不利。
I/O接口：接口电路。将外设连接到总线上的一组逻辑电路的总称，用以实现外设与主机之间的信息交换。
I/O端口：端口地址(分数据端口、状态端口、控制端口)。接口中的寄存器，可以由CPU读或写。
8255是一个并行接口的芯片，有4个地址（端口地址）。
图解：
CPU向I/O接口发出数据交换，外设也同样。
CPU通过控制口发出控制信息(例如：运行)。
外设通过状态口反馈给CPU状态信息(例如：操作完毕之后发出停止信息)。
此外数据交换还有多种方式。
CPU同外设间交换的信息由三类
- 数据信息
三种类型：数字量、模拟量、开关量。
数字量：由8位二进制数，或ACII码表示的数或字符。
模拟量：可以理解为实际的电压值。（仅了解：如果要读入CPU就需要AD转化芯片）
开关量：一位二进制（因为只有开/关）。 - 状态信息：外设当前所处的工作状态。（反馈信息）
- 控制信息：由CPU发出的，用于控制I/O接口的工作方式以及外设的启停等。
I/O端口的访问
有三种方式：无条件传送、查询式传送、中断方式传送
特点：
(1)以CPU为中心，通过预先编写好的I/O程序实现数据的传送。
(2)速度较低，传送路径经过CPU内部寄存器，同时数据I/O相应也比较慢。
无条件传送方式(***)
无条件传送方式，也叫做同步传送方式。
特点：适用于总是处于准备好状态的外设。（比如开关，只有开/关）外设的工作时间已知（几秒内开/关）。不需要状态口。
方法：把I/O指令插入到程序中。当执行到该指令，外设已做好准备。
优点：软件及接口硬件简单。
缺点：CPU效率低(IN/OUT时无法处理其他指令)，只适用于简单外设。
查询传送方式(***)
查询传送方式，也叫做异步传送方式。
当CPU和外设不同步且不知道外设工作速率时，采用此传送方式，传送前，CPU必须先对外设进行状态检测。
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。
对外设及接口的要求： 外设应提供设备状态信息。 接口应具备状态端口。
优点：软件比较简单。（程序比较方便）
缺点：CPU效率低，数据传送的实时性差，速度较慢。
p1（对传送速率和效率要求不高）因为CPU是单线程，所以当CPU在查询数据时无法处理其他事情。所以查询传送方式慢。
P2（***）完成一次传送过程的步骤(主动查询)
中断传送方式
无条件和查询传送的缺点是：CPU和外设只能串行工作。
中断传送方式可以并行操作，为提高系统的工作效率，引入了“中断”系统。
特点：外设在需要时向CPU提出请求，CPU再去为它服务。服务结束后或在外设不需要时，CPU可执行自己的程序。
中断使CPU和外设以及外设之间能并行工作。
(-)工作过程：通常在程序中安排好某一时刻启动某一台外设，然后CPU继续执行其主程序，当外设完成数据传送的准备后，向CPU发起中断，CPU可以响应的情况下执行“中断服务程序”，完成一次CPU与外设之间的数据传送，传送完成后仍返回被中断的主程序，从断点处继续执行。
优点：CPU效率高（并行），实时性好（被动响应），速度快。
缺点：程序编制较为复杂（先写好某一时刻启动某一台外设，之后并进行响应等）。
以上三种I/O方式的共性
均需CPU作为中介。
DMA(直接存储器存取)传递方式
外设和内存之间直接传送数据的方式，不需要CPU干预也不需软件介入。对这一数据传送过程进行控制的硬件称为DMA控制器(DMAC)。