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1、第8章 输入输出接口,本章主要内容,8.1 I/O接口概述,输入和输出设备是计算机系统的重要组成部分，完成输入/输出（简称I/O）操作的部件称为输入/输出接口。 各种外部设备通过输入输出接口与系统相连，并在接口电路的支持下实现数据传输和操作控制。,计算机系统中接口的位置,8.1.1 CPU与I/O设备之间的接口信息,1.数据（Data） 数字量 模拟量 开关量 2.状态信息（Status） 3.控制信息（Control）,8.1.2 I/O接口的主要功能,1.对输入输出数据进行缓冲和锁存 2.对信号的形式和数据的格式进行变换 3.对I/O端口进行寻址 4.提供联络信号,8.1.3 I/O接口的
2、结构,数据端口：用于数据信息I/O的端口。CPU通过数据接收端口输入数据，有的能保存外设发往CPU的数据；CPU通过数据输出端口输出数据，一般能将CPU发往外设的数据锁存。 状态端口：CPU通过状态端口了解外设或接口部件本身的状态。 控制端口：CPU通过控制端口发出控制命令，以控制接口部件或外设的动作。,8.1.4 输入输出的寻址方式,1.存储器映像的I/O寻址,存储单元和I/O端口的地址统一编址。把一个外设端口作为存储器的一个单元来对待，故每一个外设端口占有存储器的一个地址。 从外部设备输入一个数据，作为一次存储器读的操作；而向外部设备输出一个数据，则作为一次存储器写的操作。,优点： CPU
3、对外设的操作可使用全部的存储器操作指令，故指令多，使用方便。如可以对外设中的数据（存于外设的寄存器中）进行算术和逻辑运算，进行循环或移位等。 内存和外设的地址分布图是同一个。 不需要专门的输入输出指令以及区分是存储器还是I/O操作的控制信号。 缺点： 外设占用了内存单元，使内存容量减小。,8.1.4 输入输出的寻址方式,2. I/O映像的I/O寻址,I/O端口地址与存储单元地址分开编址。CPU有专门的I/O指令，用地址来区分不同的外设。 但要注意实际上是以端口（Port）作为地址单元，因为一个外设不仅有数据寄存器还有状态寄存器和控制命令寄存器，它们各需要一个端口才能加以区分，故一个外设往往需要
4、数个端口地址。,优点： I/O端口不占用存储器地址，故不会减少用户的存储器地址空间； 采用单独的I/O指令，使程序中I/O操作和其他操作层次清晰，便于理解。 缺点： 单独I/O指令的功能有限，只能对端口数据进行输入/输出操作，不能直接进行移位、比较等其他操作； 采用专用的I/O操作时序及I/O控制信号线，因而增加了微处理器本身控制逻辑的复杂性。,8.2 常用I/O接口芯片,8.2 常用I/O接口芯片,8.3 CPU与外设之间的数据传送方式,CPU与外设之间的数据传送方式一般有： 程序控制方式 中断方式 直接存储器存取方式 通道控制方式,8.3.1 程序控制方式,采用程序控制方式时，状态和数据的
5、传输由CPU执行一系列指令完成。数据传送过程中，或者由CPU查询外设状态，或者由外设向CPU发出请求。 这种方式又可分为无条件传输方式和程序查询方式。,1.无条件传输方式,CPU不需要了解外设状态，直接与外设传输数据，适用于按钮开关、发光二极管等简单外设与CPU的数据传送过程。 这种传输方式的特点是硬件电路和程序设计都比较简单，一般用于能够确信外设已经准备就绪的场合。,CODE SEGMENT ASSUME CS:CODE MAIN PROC FAR START: PUSH DS MOV AX,0 PUSH AX AGAIN: MOV DX,200H IN AL,DX ；读取开关状态 NOT
6、AL ；取反 OUT DX,AL ；输出控制LED JMP AGAIN RET ；返回DOS MAIN ENDP CODE ENDS END START,【例7-2】硬件连接如前例图所示，要求LED0LED7循环点亮。 CODE SEGMENT ASSUME CS:CODE MAIN PROC FAR START: PUSH DS MOV AX,0 PUSH AX MOV DX,200H ；设置I/O端口 MOV CL,01H ；设置输出初值,AGAIN: MOV H,1 ；读键盘缓冲区字符 INT 16H CMP AL,1BH ；若为“ESC”键，则退出 JZ EXIT MOV AL,CL
7、OUT DX,AL ；输出控制LED MOV BX,100 ；向子程序传递参数，实现1秒软延时 CALL DELAY ；子程序DELAY实现10ms延时 ROL CL,1 ；循环左移1位 JMP AGAIN EXIT: RET,DELAY PROC NEAR ；延时子程序DELAY PUSH BX PUSH CX WAIT0: MOV CX,2801 WAIT1: LOOP WAIT1 DEC BX JNZ WAIT0 POP CX POP BX RET DELAY ENDP MAIN ENDP CODE ENDS END START,24,无条件程序控制方式,外设数据变化缓慢，始终处于就绪状
8、态,如开关或LED 接口结构简单（通常只需要数据端口），适用面较窄,2.程序查询方式,也称为条件传输方式，常用于慢速设备与CPU交换数据。 CPU与外设传输数据之前，先检查外设状态，如果外设处于“准备好”状态（输入设备）或“空闲”状态（输出设备），才可以传输数据。为此，接口电路中除了数据端口外，还必须有状态端口。,程序查询方式的一般过程为： CPU从接口中读取状态字； CPU检测状态字的相应位，是否满足“就绪”条件，如不满足，则转1）； 如状态位表明外设已处于“就绪”条件，则传输数据。,27,输 入 设 备,输入选通,DB（数据、状态）,输 出 设 备,输出选通,DB（数据、状态）,BUSY(
9、1bit),接口避免了对端口的“盲读”、“盲写” ，数据传送的可靠性高，且硬件接口相对简单。,外设应具有必要的联络（握手）信号如READY、ACK等；,缺点是CPU工作效率低，I/O响应速度慢；在有多个外设的系统中，CPU的查询顺序由外设的优先级确定，实时性差。,程序控制方式总结,无条件控制（同步控制） 特点：要求外设数据变化缓慢，操作时间固定，可以被认为始终处于就绪状态，如一组开关或LED显示管。 优点：简单， CPU随时可无条件读/写数据。 缺点：适用面窄。 条件控制（查询控制） 特点： CPU主动、外设被动。执行I/O操作时CPU总要先查询外设状态；若传输条件不满足时，CPU等待直到条件
10、满足。 优点：解决了CPU与外设之间的同步问题，可靠性高。 缺点：CPU利用率低，低优先级外设可能无法及时得到服务,8.3.2中断方式,不让CPU主动去查询外设的状态，而是让外设在数据准备好之后再通知CPU。这样，CPU在没接到外设通知前只管做自己的事情，只有接到通知时才执行与外设的数据传输工作，从而大大提高CPU的利用率。 中断方式详见第10章。,8.3.2中断方式,8.3.3 直接存储器存取（DMA）方式,DMA方式就是在系统中建立一种机制，将外设与内存间建立起直接的通道，CPU不再直接参加外设与内存间的数据传输，而是在系统需要进行DMA传输时，将CPU对地址总线、数据总线及控制总线的管理
11、权交由DMA控制器进行控制。当完成一次 DMA数据传输后，再将这个控制权还给CPU。,8.3.3 直接存储器存取（DMA）方式,DMA方式由硬件自动实现的，并不需要程序进行控制。 DMAC（称为DMA控制器）芯片来完成相关工作，如内存地址的修改、字节长度的控制。当CPU放弃数据总线、地址总线及控制总线的控制权时，由DMAC实现外设和内存间的数据交换，同时也包括与CPU之间必要的连接。,8.3.3 直接存储器存取（DMA）方式,AB DB CB,CPU DMAC RAM/ROM I/O,8.3.4 通道控制方式和I/O处理器,在大、中型计算机系统中，配置的I/O设备很多，输入输出操作十分频繁，如
12、果仅用DMA控制器，则需要CPU不断地对各个DMA控制器进行设置，影响CPU的正常工作。 将DMA控制器的功能增强，使其能够按CPU的意图自行设置操作方式，控制数据传送。于是，DMA控制器发展成了通道控制器。,1. I/O 通道（ I/O Channel ),早期的“通道”是由一些简单的、主要用于数据输入输出的CPU构成，可配置简单的输入输出程序。 主CPU只需使用简单的通道命令启动通道，二者即可并行工作。输入输出程序可以在主存中，也可以在通道的局部存储器中。主CPU一旦启动通道工作，通道控制器即从主存或通道存储器中取出相应的程序，控制数据的输入输出。,2. I/O处理器（IOP）,通道控制器
13、发展成I/O处理器（I/O Processor），也称为I/O处理机。 主要由一个进行I/O操作的CPU、内部寄存器、局部存储器和设备控制器组成。在一个通道处理器中可有多个通道，分别与多个设备控制器连接；而一个设备控制器可控制多台外设工作。在实际使用中，I/O处理器与主CPU构成多处理器（或称多处理机）系统，相互并行工作。,3.外围处理机（PPU）,I/O处理器的功能不断增强，又出现了外围处理机PPU（Peripheral Processor Unit）。 除了完成I/O通道所要完成的I/O控制之外，还增强了路由选择、数码转换、格式处理、数据块检错/纠错等功能。它的算术逻辑处理功能增强，缓冲寄存器增多，基本上独立于主机完成所有的输入输出操作。,END!,
