微机原理与接口技术-07-1-io概述

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1、第七章第七章 I/OI/O接口概述接口概述 主要内容主要内容 基本概念基本概念 I/OI/O端口的地址译码端口的地址译码 CPUCPU与外设间的数据传送控制与外设间的数据传送控制 程序程序传送方式传送方式 中断中断传送方式传送方式 DMADMA传送传送方式方式 一、基本概念一、基本概念 输入设备和输出设备是计算机系统的重要组成部分，用于计算机与外部 世界进行联系。输入设备和输出设备统称为外围设备（简称外设）或I/O设 备。 1. 什么是什么是I/O设备设备 2. 什么是什么是I/O接口接口 由于外设在结构和工作原理上与主机有很大的差异，因此，它们一般无 法直接相连，而必须经过一个“转换”机构。

2、用于连接主机与外设的这个转 换机构就是I/O接口电路，简称I/O接口 I/O接口是主机和外设进行衔接的部件，它的一端通过总线和主机相连， 另一端通过端口和外设相连。通过接口可以传送外设向主机输入的信息，或 者传送主机输出到外设的信息。 任何外设都不能直接与主机相连，必须通过相应的I/O接口电路与主机相连。其主要原因 有以下几点： 外设种类繁多，速度不匹配外设种类繁多，速度不匹配 外设有机械式的、电子式的或机电式的，它们的工作速度通常比高速的CPU要低得多，而且 各种外设的工作速度互不相同，因而要求I/O接口对输入输出过程能起一个缓冲和联络的作用。 信号类型和信号电平不匹配信号类型和信号电平不匹

3、配 外设提供的信号类型既有数字信号也有连续变化的模拟信号，例如在测量温度时，传感器 送出的可能是模拟信号。另外有些外设的信号电平与主机也不相同，因而要求I/O接口对信号 类型和信号电平进行转换。 数据类型和数据格式不匹配数据类型和数据格式不匹配 CPU系统总线传送的是并行数据，而有的外设是按位串行传送数据，因而要求I/O接口进行 串-并数据格式的转换。另外，如Intel8086CPU字长为16位，而外设数据格式为8位，因而需要 对数据格式进行组装或分解。 时序不匹配时序不匹配 主机和外设通常按照各自独立的时序进行工作，因而为了协调它们之间的信息交换，I/O接 口往往需要进行缓冲暂存，并满足各自

4、的时序要求。 3. 为什么需要为什么需要I/O接口接口 4. I/O接口的基本功能接口的基本功能 数据驱动与缓冲数据驱动与缓冲 提供主机和外设所需的缓冲、暂存、驱动能力，以满足负载要求和时序要求 CPU利用缓冲器从外设输入数据 CPU利用锁存器向外设输出数据 外设寻址外设寻址 设置地址译码器和设备选择逻辑，以保证主机按照特定的路径访问选定的外设 不同的外设需要不同的接口电路 同一外设中存在不同的端口 通信控制通信控制 提供主机与外设之间交换数据所需的控制逻辑和状态信号 CPU通过控制端口输出对外设的控制信号 CPU通过状态端口输入外设的状态信号 信息变换信息变换 CPU与外设的信息编码方式不同

5、，如七段数码管 CPU与外设的数据宽度不同，如并-串转换 CPU与外设的电平逻辑不同，如RS-232C 5. I/O接口和接口和I/O端口的区别端口的区别 I/O端口端口1 I/O端口端口2 I/O端口端口3 地址地址 译码译码 数据数据 缓冲缓冲 控制控制 电路电路 外外 设设 AB DB CB C P U I/O接口：CPU与外设间的缓冲电路 I/O端口：接口电路中的寄存器 6. I/O接口中的信息种类接口中的信息种类 CPUCPU与与I/OI/O接口间的信息接口间的信息 数据：双向 状态：从外设输入 控制：向外设输出，又称命令信息 所有信息都可看作广义的数据，利用所有信息都可看作广义的数

6、据，利用DBDB传送传送 I/OI/O接口与外设间的信息接口与外设间的信息 数字量：离散数据，如键盘、数码管 模拟量：连续数据，如电压、电流，如各类传感器、执行器 开关量：有两个状态的量 一个开关量只需要一个二进制位(1bit)表示 一个8位的I/O端口可控制8个不同的开关量 脉冲量：瞬时性，如光电编码盘 7. I/O接口的基本结构接口的基本结构 数据缓冲寄存器：数据缓冲寄存器：数据端口 控制寄存器控制寄存器：控制端口，只写 状态寄存器：状态寄存器：状态端口，只读 控制端口与状态端口常常可为同一物理端口控制端口与状态端口常常可为同一物理端口 DBDB、ABAB缓冲器：缓冲器： 实现接口内部总线

7、与系统总线的连接 端口地址译码器：端口地址译码器： 选择接口电路内部各端口寄存器的地址 内部控制逻辑：内部控制逻辑： 产生接口电路内部的控制信号 数据端口数据端口 控制端口控制端口 状态端口状态端口 地址地址 译码译码 数据数据 缓冲缓冲 控制控制 电路电路 外外 设设 AB DB CB C P U 8. I/O端口的编址方式端口的编址方式 I/OI/O端口独立编址端口独立编址 将I/O资源与存储器在物理上区分开来，各自使用不同的读写控制 信号及不同的指令 I/O资源不影响存储器空间，二者互不相干 I/O端口数量较少，地址译码较简单，寻址速度较快 使用专门的I/O指令，程序更加清楚，便于理解和

8、检查 I/O指令较少，不如存储器方式灵活，故I/O能力较弱 要求CPU分别提供存储器及I/O的控制信号，增加了CPU控制逻辑的 复杂性 典型应用：8086/88 CPU 8. I/O端口的编址方式端口的编址方式 存储器映像编址存储器映像编址 将I/O端口看作是存储器单元，CPU对二者的处理相同，即读写信号一样、 指令相同 采用存储器寻址方式，无需专门的I/O指令，处理更加灵活，I/O功能增 强 I/O端口数目几乎不受限制，允许在系统中连接较多的外设，适用于某些 大型控制和数据通信应用 CPU的读写控制逻辑较简单 I/O占用存储器资源，使内存可用容量减小 易造成I/O端口地址与存储器单元地址的冲

9、突 典型应用：MCS-51单片机 二、二、I/OI/O端口的地址译码端口的地址译码 1. 译码器：产生多个外设的译码器：产生多个外设的I/O端口地址端口地址 2. 门电路：产生数量较少的端口地址门电路：产生数量较少的端口地址 3. 比较器：产生可变的比较器：产生可变的I/O端口地址端口地址 三、三、CPUCPU与外设间的数据传送控制与外设间的数据传送控制 1. 传送控制的目的传送控制的目的 实现CPU与外设之间高效、可靠的数据传送。 无条件传送方式 查询传送方式(条件传送方式) 中断传送方式 DMA(Direct Memory Access)传送方式 2. 四种传送方式四种传送方式 (1) 无

10、条件无条件传送传送方式方式 无条件传送方式输入接口电路无条件传送方式输入接口电路 无条件传送方式无条件传送方式输入过程示例输入过程示例 无条件传送方式输出接口电路无条件传送方式输出接口电路 无条件传送方式无条件传送方式输出过程示例输出过程示例 CPUCPU不查询外设不查询外设工作状态，外设与主机之间无控制工作状态，外设与主机之间无控制 及状态信号及状态信号 要求外设总是处于“准备好”状态，或者说外设要求外设总是处于“准备好”状态，或者说外设 和主机是同步的和主机是同步的 与外设速度的匹配通过软件延时完成与外设速度的匹配通过软件延时完成 在程序中直接使用在程序中直接使用I/OI/O指令完成与外设

11、的数据传送指令完成与外设的数据传送 软硬件均非常简单软硬件均非常简单 无条件传送无条件传送方式的方式的特点特点 (2) 查询传送方式查询传送方式 (条件传送方式条件传送方式) 查询传送方式特点及一般流程查询传送方式特点及一般流程 查询传送方式查询传送方式输入接口电路输入接口电路 MIO/ RD MIO/ RD 从状态端口输入状态信息从状态端口输入状态信息 TEST AL, 80H ; 检查检查READY是否为是否为1 JE POLL ; 未未READY，循环，循环 IN AL, DATA_PORT ; READY，从数据端口输入数据，从数据端口输入数据 READY? 输入状态信息输入状态信息

12、输入数据输入数据 N Y 查询式输入程序流程图：查询式输入程序流程图： 查询传送方式查询传送方式输出接口电路输出接口电路 MIO/ WR MIO/ RD 输出输出 设备设备 锁锁 存存 器器 D Q R 数据数据 ACK# +5V 从状态端口输入状态信息从状态端口输入状态信息 TEST AL, 80H ; 检查检查READY是否为是否为1 JNE POLL ; BUSY，则循环等待，则循环等待 MOV AL, STORE ; 否则，从缓冲区取数据否则，从缓冲区取数据 OUT DATA_PORT, AL ; 从数据端口输出从数据端口输出 输出设备输出设备( (主机主机) ) 主机主机( (输入设

13、备输入设备) ) 查询传送方式输入查询传送方式输入/输出对接示例输出对接示例 MIO/ WR MIO/ RD 输出接口输出接口 锁锁 存存 器器 D Q R 数据数据 ACK# +5V 10 CLKs; 10 CLKs mov bx, al mov bx, al ; 14 ; 14 CLKsCLKs inc bx inc bx ; 3 CLKs; 3 CLKs loop L1 loop L1 ; 17/5 CLKs; 17/5 CLKs . . . . . . 共共 44 CLKs 非非DMADMA传送程序示例传送程序示例 传送一个数据需要传送一个数据需要 4444个时钟个时钟 存 储 器 I

14、/O 接 口 I/O 设 备 CPUCPU DMA 控 制 器 HOLDHOLD HLDAHLDA DMA REQDMA REQ DMA ACKDMA ACK DMADMA硬件组成示意图硬件组成示意图 地址总线地址总线 ABAB 控制总线控制总线 CBCB 数据总线数据总线 DBDB HOLDHOLD HLDAHLDA DMA REQDMA REQ DMA ACKDMA ACK 存 储 器 I/O 接 口 地址总线地址总线 ABAB 控制总线控制总线 CBCB 数据总线数据总线 DBDB I/O 设 备 CPUCPU DMA 控 制 器 DMADMA传送过程示意图传送过程示意图 DMA REQ

15、DMA REQ HOLDHOLD HLDAHLDA DMA ACKDMA ACK 传送一个数据只需要传送一个数据只需要 4 4个时钟个时钟 IORIOR MEMWMEMW 地址 地址 数据数据 STB DMA请求(Ready) HOLD HLDA DMA响应 地址 数据 IOR & MEMW DMADMA传送过程时序图传送过程时序图 I/O接口 支持支持DMADMA的的I/OI/O接口示意图接口示意图 DMADMA传送流程图传送流程图 外设和内存之间直接进行高速数据传送，不通过外设和内存之间直接进行高速数据传送，不通过CPUCPU，传送，传送 效率高效率高 可实现外设与外设之间，主存与主存之间的高速数据传送可实现外设与外设之间，主存与主存之间的高速数据传送 电路结构复杂，硬件开销大电路结构复杂，硬件开销大 适合于高速批量数据传送适合于高速批量数据传送 不适用于随机事件处理，不能替代中断方式不适用于随机事件处理，不能替代中断方式 DMA传送方式的传送方式的特点特点 典型典型PC微型计算机的接口示意图微型