汇编语言 基本输入输出接口技术综述

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1、 本章主要教学内容 输入输出接口技术的概念和功能 CPU与I/O接口之间传递的信息类型及I/O 端口的编址方式 CPU与外部设备之间数据传送方式的原理 、特点及应用 第6章 基本输入/输出 接口技术 6.1 接口技术概述 微型计算机系统的输入和输出通常是指计算机与外部设备之 间的信息交换，也称为通信。在微型计算机中，各种外部设备 与计算机之间的通信是通过接口实现的。接口部件起着数据缓 冲、隔离、数据格式交换、寻址、同步联络和定时控制等作用 。 6.1.1 输入输出接口的概念与功能 1. 输入输出接口的概念 通常，一种外部设备与微型计算机相连接是需要一个接口 电路的，通常称之为I/O接口。为什么

2、一个外部设备与微型计 算机连接需要一个接口电路呢?这是因为计算机的外部设备种 类繁多，具备的功能不同，工作速度上也有较大的差异，因此 ，计算机的外部设备与CPU连接时，必然会带来一些问题。 归纳起来有以下4个方面： （1）工作速度的匹配问题 （2）工作时序的配合问题 （3）信息表示格式上的一致性问题 （4）信息类型与信号电平的匹配问题 为了解决上述问题，就需要在CPU与外部设备之间连接 接口设备。所谓接口是指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。 源程序和原始数据通过接口从输入设备（例

3、如键盘）送入，运 算结果通过接口向输出设备（例如CRT显示器、打印机）送出 去；控制命令通过接口发出去（例如步进电机），现场信息通 过接口取进来（例如温度值、转速值）。 2. 输入输出接口的功能 一般情况下，计算机的输入输出接口应该具备下述功能： （1）寻址功能 （2）输入/输出功能 （3）数据转换功能 （4）联络功能 （5）中断管理功能 （6）接收复位信号并对接口进行初始化 （7）可编程功能 （8）检测错误的功能 6.1.2 CPU与I/O接口之间传递的信息类型 计算机的CPU与一个输入/输出设备进行信息交换时，通常需 要3类信息，即数据信息、状态信息和控制信息，如图6-1所 示。 1. 数

4、据信息 （1）数字量：数字量可以是二进制形式表示的数据，或以 ASCII码表示的数据及字符。 （2）模拟量：当微型计算机用于检测或过程控制时，传感 器把现场大量的非电量如温度、压力、差压、流量、物质成 分等信息转换成电信号，并经过放大器放大，然后经过采样 器和模/数转换器变成数字信号才能被计算机接收。 （3）开关量：开关量是具有两个状态的量，如开关的闭合 与断开，阀门的打开与关闭，电机的启动与停止等。 图6-1 CPU与I/O接口之间传递的信息 2. 状态信息 状态信息通常表示外部设备或接口部件本身的状态，是从接口送 往CPU的信息。在输入时，通常用准备就绪（READY）信号来 表示待输入的数

5、据是否准备好；在输出时，通常用忙（BUSY） 信号来表示输出设备是否处于空闲状态。如果为空闲状态，则 CPU可以执行输出指令，向该外设传送数据信息，如果处于忙状 态，则CPU等待。 3. 控制信息 控制信息是CPU通过数据总线传给接口中的控制寄存器的信息。 最常见的控制信息主要有使外部设备启动或停止的控制信息。 数据信息、状态信息和控制信息是不同性质的信息，应分别进行 传送。但是，在大部分微型计算机中只有通用的输入指令和输出 指令，因此外部设备的状态、控制信息也被广义地当作一种数据 信息，通过数据总线传送。 6.1.3 I/O端口的编址方式 接口中的寄存器又叫做I/O端口，每一个端口有一个编

6、号，叫做端口号，又叫端口地址。数据寄存器就是数据端 口，用于对来自CPU和外设的数据起缓冲作用。状态寄存器 就是状态端口，用来存放外部设备或者接口部件本身的状 态。CPU通过对状态端口的访问和测试，可以知道外部设备 或接口本身的当前状态。控制寄存器就是控制端口，用来 存放CPU发出的控制信息，以控制接口和外部设备的动作。 也可以说，CPU与外部设备之间传送信息都是通过数据总线 写入端口或从端口中读出的，所以，CPU对外部设备的寻址 ，实质上是对I/O端口的寻址。 在微型计算机系统中，I/O接口的地址编排大都采用能够单 独编址方式，其地址空间独立于存储器，不占用存储空间， 该编址方式下，CPU访

7、问I/O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。 独立编址方式的主要优点是可以节省内存空间，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。其缺 点是由于专用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。 6.2 CPU与外设间数据传送方式 计算机的外部设备通常有外存设备（如磁盘、光盘） 、输入设备（如键盘、鼠标）、输出设备（如显示器、打 印机）、办公设备（如扫描仪、绘图仪、数字化仪）、多 媒体设备、通信设备以及总线设备等。计算机接上某种外 部设备之后，计算机与外部设备之间就要

8、进行数据交换。 但由于外部设备与存储器不同，它们用各自不同的速度在 工作，而且它们的工作速度相差很大，有些外部设备的工 作速度极高，有些则很低。因此需要用某种方法调整数据 传输时的定时，这种方法称为输入/输出控制。 输入/输出控制方式通常有四种方式，即程序传送方 式、中断传送方式、DMA传送方式和I/O处理机方式。其中 程序传送方式又可分为无条件传送方式和条件传送方式两 种。 6.2.1 无条件传送方式 如果程序员能够确认个外部设备已经 准备好，则在传送数据之前就不必查询外设的 状态，直接执行输入指令或输出指令即可实现 数据的传输。这就是无条件传送方式，也称为 同步传送方式，主要用于外设的定时

9、是固定的 或已知的场合 6.2.2 查询传送方式 查询传送方式也称为条件传送方式。采用这种传 送方式时，微型计算机在执行个I/O操作之前，必须先对 外部设备的状态进行测试。也就是微处理器在执行输入/输 出指令读取数据之前，要通过执行程序不断地读取并测试 外部设备的状态。 查询传 送方式中，完成一个数据传送 的步骤如下： （1）微处理器用输入指令从接口中的状态端口读取状态字 ； （2）微处理器测试所读取的状态字的相应状态位是否满足 数据传输的条件，如果不满足，则回到第（1）步，继续读 状态字； （3）如果状态位表明外部设备已满足传输数据的条件，则 进行传送数据的操作。 其工作原理分析如下： 计算

10、机的输入设备在数据准备好以后，就往接口发一个选 通信号STB，该选通信号将准备好的数据锁入锁存器，同 时将接口中的D触发器置1，表明锁存器中有数据，它作为 状态信息，使接口中三态缓冲器的READY位置1。数据信 息和状态信息从数据端口和状态端口经过数据总线送入微 处理器。 根据查询方式传送的三个步骤，微处理器从外设输入数 据时，先读取状态字并检查状态字的相应位，查明数据是 否准备就绪，即数据是否已进入接口的锁存器中，如果准 备就绪，则执行输入指令，读取数据，此时将状态位清零 ，这样便开始下一个数据传输过程。 查询输入部分的参考程序如下： POLL：MOV DX，STATUS-PORT ；状态端

11、口号送DX IN AL，DX ；输入状态信息 TEST AL，80H ；检查Ready是否为高电平 JE POLL ；如果未准备好，进行循环检测 MOV DX，DATA-PORT ；准备就绪，读入数据 IN AL，DX 采用查询方式进行数据输出的接口电路工作原理如 图6-5所示。 图6-5 查询式数据输出的接口电路 6.2.3 中断控制方式 在采用查询方式进行交换数据时，CPU要不断地读 取状态信息，检查输入设备是否已准备好数据，输 出设备是否忙碌或输出缓冲器是否已空。若外设没 有准备就绪，CPU就必须反复查询，进入循环等待 状态，使CPU的工作效率降低。为了提高CPU的利 用效率和进行实时数

12、据处理，CPU常采用中断方式 与外设进行数据交换。 采用中断传送方式可以大大提高工作效率。该 方式的工作原理是： 当外设要求交换数据（比如打印机请求一个打 印字符）时，可向CPU发出中断请求，CPU在执行完 当前指令后，即可中断当前任务的执行，并根据中 断源（即中断发出者）是谁，而转入相应的中断处 理服务程序，以实现对请求中断外设的管理。为了 在中断处理之后能正确返回被中断的程序继续执行 ，在转入中断处理程序时，CPU应保护好当时的现场 （如标志位、其它寄存器等）和断点。在中断结束 返回时，再恢复现场和断点，继续执行原来的程序 。 6.2.4 DMA控制方式 DMA（Direct Memory

13、 Access）传送方式又称为直 接存储器存取方式，实际上就是在存储器与外设间开辟 一条高速数据通道，使外设与内存之间直接交换数据。 这一数据通道是通过DMA控制器来实现的。在DMA传 送期间，不需要CPU的任何干预，而是由DMA控制器 控制系统总线，在其控制下完成数据传输任务。 DMA传送方式实际上是把外设与内存交换信息的操作 与控制交给了DMA控制器，简化了CPU对输入输出的 控制。但这种方式显然电路结构复杂，硬件开销大。 DMA控制方式的传送过程如图6-7所示。 下面我们分析如何将内存中的一个数据块传送给一 个外设（例如硬盘）。 首先，应由CPU告诉DMA控制器：DMA传送的数据 是由内

14、存向外设传送、数据在内存的首地址、数据块 长度，然后CPU启动DMA与外设。此后的传送完全由 DMA控制器来管理，CPU可去干其他工作（但不能访 问系统总线）。 图6-7 DMA传送原理示意图 通常，DMA控制器应该具备以下功能： 能向CPU发出要求控制总线的DMA请求信号DRQ； 当收到CPU发出的HLDA信号后能接管总线进入DMA模式； 能发出地址信息对存储器寻址并能修改地址指针； 能发出存储器和外设的读、写控制信号； 能决定传送的字节数，并能判断DMA传送是否结束； 能接受外设的DMA请求信号和向外设发DMA响应信号； 能发出DMA结束信号，使CPU恢复正常。 6.2.5 I/O处理机方

15、式 随着微型计算机系统的扩大、外设的增多以及性能的 提高，CPU对外设的管理服务任务不断加重。为了提高整个 系统的效率，CPU需要摆脱对I/O设备的直接管理和频繁的 输入/输出业务。于是专门用来处理输入/输出的I/O处理机 （IOP）应运而生。例如Intel 8089就是一种专门配合 Intel8086而使用的I/O处理芯片。 以Intel 8089为例，IOP在完成任务时具备以下手段 ： （1）拥有自己的指令系统。有些指令专门为I/O操作而设 计，可以完成外设监控、数据拆卸装配、码制转换、校验 检索、出错处理等任务。也就是说，它可以独立执行自己 的程序。 （2）支持DMA传送。Intel8089内有两条DMA通道。 本章小结 CPU与I/O设备之间要传送的信息包括数据信息、状态 信息和控制信息。各种外部设备与计算机之间的通信是通过 接口实现的。接口是指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，它是CPU与外界进行信息交换的中转站。对I/O端口 的访问，则取决于I/O端口的编址方式。常用的编址方式有 统一编址和独立编址。 接口技术是采用硬件与软件相结合的方法，研究微处理 器如何与外部世界进行最佳匹配，以实现CPU与外界高效、 可靠的信息交换的一门技术。CPU与外设之间的数据传输必 须采用多种控制方式