[小学教育]10硬基第4章IO接口

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1、第4章 输入输出接口1主要内容n输入输出接口的基本概念nI/O端口及其编址方式n基本输入输出方法nI/O接口的数据缓冲技术24.1 输入输出的基本概念CPURAM/ROM总线接口接口接口接口磁盘键盘打印机显示器3一、输入输出系统将CPU及主存以外的部分叫做输入输出系统输入输出接口输入输出设备输入输出软件4I/O接口I/O接口：n负责将外设连接到总线上的一组逻辑电 路的总称。n实现外设与主机之间的信息交换。5I/O接口要解决的问题n速度匹配(Buffer)n信号的驱动能力(电平转换器、驱动器) n信号形式和电平的匹配(A/D、D/A) n信息格式(字节流、块、数据包、帧) n时序匹配(定时关系)

2、6接口的功能n数据的缓冲与暂存n信号电平与类型的转换n增加信号的驱动能力n对外设进行监测、控制与管理，中断处理换言之，就是完成数据、地址、控制三总线 的转换和连接工作。7二. I/O接口电路的基本结构CPU侧数据输入寄存器数据输出寄存器控制寄存器状态寄存器地址 译码数据 缓冲控制 逻辑外 部 I/O 设 备控制总线数据总线地址总线I/OI/O接口基本结构框图接口基本结构框图 正确选择寄存 器地址控制数据 读写流向解决高速cpu 与慢速外设通常将接口中的寄存器称为I/OI/O端口端口8数据端口 控制端口 状态端口 地址译码电路 数据缓冲电路 控制逻辑电路I/O接口电路芯片的组成：CPU与外设交换

3、的信息 大致可分为数据信息 状态信息 控制信息9数据端口状态端口控制端口端 口I/O端口：接口中的寄存器10I/O端口CPU数据状态控制外设所谓的I/O操作，是指I/O端口操作 11按数据传送方式分：并行接口和串行接口； 按功能的灵活性分：可编程和不可编程接口； 按通用性分： 通用接口和专用接口； 按数据控制方式分：可分为程序型接口和 DMA型接口。（Direct Memory Access）第九章 输入输出方法及常用的接口电路 I/O接口分类124.2 I/O端口的编址方式nCPU如何实现对端口的访问取决于 端口的编制方式：存储器映像方式隔离I/O方式统一编址 独立编址13一、端口与内存的统

4、一编址优点：1.指令及控制信号统一；2.外设数目不受指令限制，只受 存储容量限制；3.使读写控制逻辑较简单。缺点：1.内存地址资源减少2.寻址时间相对增长内存地址960KBI/O地址64KB00000HF0000HFFFFFH14二、端口的独立编址内存地址I/O地址00000HFFFFFHFFFFH0000H优点：1.内存地址资源充分利用，2.地址译码简单，寻址速度快。缺点：1.能够应用于端口的指令较少，2.信息交换能力不如统一编址。nCPU对内存和端口有不同的读写控制信号 ：IORIOW,MEMRMEMW15三、80X86的I/O端口编址n80X86一般采用独立编址可使用统一编址1、独立编址

5、I/O地址空间：216（64KB)个8位端口？个16位端口、32位端口、64位端口专用I/O指令IN和OUT有直接寻址和间接寻址：直接寻址：用1字节， I/O端口寻址范围：000000FFH (256)间接寻址: DX给出端口地址，2字节长I/O端口寻址范围：0000FFFFH (65536) I/O指令IN和OUT可在A累加器与端口之间传送数据 I/O指令INS和OUTS可在存储器与端口之间传送数据串 16nPc系列机：用10条I/O地址线来寻址。寻址空间？1KB 178086的I/O端口编址n采用I/O独立编址方式(但地址线与存储器共用)；n最小模式下由M/IO区分是访问内存还是访问端口；

6、n最大模式下用总线控制器信号来区分访问对象nI/O操作只使用20位地址信号中的16位：A15A0n可寻址的I/O端口数为64K(65536)个nI/O地址范围为0FFFFHnIBM PC只使用了1024个I/O地址(03FFH)18端口的独立编址8 0 8 6 总 线A19-A0A15-A0MEMR、MEMWIOR、IOW 、BHE存储器输入/输出19四、I/O地址的译码目的：n确定端口的地址参加译码的信号：nIOR，IOW，A15 A0nOUT指令将使总线的IOW信号有效nIN指令将使总线的IOR信号有效20I/O地址的译码n当接口只有一个端口时，16位地址信号一般应全部参与译码，译码输出直

7、接选择该端口；当接口具有多个端口时，则16位地址线的高位参与译码（决定接口的基地址），而低位则用于确定要访问哪一个端口。21I/O地址的译码n某外设接口有4个端口，地址为2F0H2F3H(A4A15) ，A0A3确定端口，试将其与系统连接。A15 A0 ：2F01HA15 A0 ：2F12HA15 A0 ：2F23HA15 A0 ：2F34H22五、输入输出数据的传送方式并行 一个数据单位同时传送串行 数据按位传送234.3 基本输入/输出方法程序控制方式中断方式传送直接存储器存取(DMA)专用I/O处理器方式。无条件传送 查询式传送24一、无条件传送n适用于总是处于准备好状态的外设n优点：软

8、件及接口硬件简单n缺点：只适用于简单外设，适应范围较窄25无条件传送例n读取开关的状态；n当开关闭合时，输出编码使发光二极管亮DCPQD0D1 输出口地 址38F3H输入口地 址38F0H+5 V126二、查询工作方式适用场合：n外设并不总是准备好n对传送速率和效率要求不高对外设及接口的要求：n外设应提供设备状态信息n接口应具备状态端口27查询工作方式n优点：协调性好，可靠性高，接口简单。 n缺点：CPU效率低，数据传送的实时性 差，速度较慢。单一外设时 的工作流程28超时?READY?与外设进 行数据交换超时错读入并测试外设状态YNYN传送完？防止死循环复位计时器NY29查询工作方式 CPU

9、主动，I/O被动 多个I/O设备？ 查询设备状态标志位有三种办法：1、每个设备对应1个状态端口2、各个设备状态标志位统一存放于专用状态端口3、专用状态端口增加1个优先权编码器查询顺序 优先级30三、中断控制方式特点：n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n优点：CPU效率高，实时性好，速度快。n缺点：程序编制较为复杂。31 为了能接受中断的请求信号，CPU内部要有相应的中断控制电路， 外围设备要提供中断请求信号及中断类型号。 利用中断进行输入/输出操作，每传送一次数据就要中断一次CPU 。CPU响应中断后，进入中断处理，将进入相

10、应的中断服务程序入 口去运行该中断服务程序 。在运行“中断服务程序”中一般都要保 护现场、恢复现场，由此运行了多条这样的指令，浪费了CPU的时 间。所以此种传送方式适合于传送少量的数据以及中低速的外围设 备。对于大量的输入/输出数据，应采用高速的直接存储器存取方 式DMA。32以上三种I/O方式的共性均需CPU作为中介：n软件： 外设与内存之间的数据传送是通过CPU执行程序来完成的（PIO方式）；n硬件： I/O接口和存储器的读写控制信号、地址信号都是由CPU发出的。n 缺点：程序的执行速度限定了传送的最大速度（约为几十KB/秒）33四、DMA控制方式特点：n外设直接与存储器进行数据交换 ，C

11、PU不 再担当数据传输的中介者；n总线由DMA控制器（DMAC）进行控制（ CPU要放弃总线控制权），内存/外设的地 址和读写控制信号均由DMAC提供。34DMA控制方式DMAC外设 接口CPUQRDMEMDACKHOLDHLDABUS控制信号35外围设备通过DMAC向 CPU申请DMA请求CPU响应DMA请求 交出总线控制权从源地址中读取数据将数据写到目标地址DMA结束数据传送结束否？修 改 地 址 指 针NY36DMA控制方式的工作过程n外设向DMA控制器发出“DMA传送请求”信号DRQ；nDMA控制器收到请求后，向CPU发出“总线请求”信号 HOLD；nCPU在完成当前总线周期后会立即发

12、出HLDA信号，对HOLD信号进行响应，交出总线控制权；nDMA控制器收到HLDA信号后，就开始控制总线，并 向外设发出DMA响应信号DACK37DMA控制方式的工作过程nDMA控制器送出地址信号和相应的控制信 号，实现外设与内存或内存与内存之间的直 接数据传送；例：从外设向内存传送一个字节DMAC向I/O接口发出读信号，同时往地址总线上 发出存储器的地址和存储器写信号和AEN信号。38DMA控制方式的工作过程nDMA控制器自动修改地址和字节计数器，并判断是否需要重复传送操作。当规定的数据 传送完后，DMA控制器就撤销发往CPU的 HOLD信号。CPU检测到HOLD失效后，紧 接着撤销HLDA

13、信号，并在下一时钟周期重新开始控制总线。39DMA的三种传送方式n连续传送（块传送）：DMAC在申请到总线后，将一块数据传送完后才释放总线 ，而不管中间DREQ（DMA请求线）是否有效。n单次传送（每次传送一个字节）：每个DMA周期只传送一个字节就立即释放总线。n按需传送（猝发传送）：只要I/O接口的数据缓冲可用，就可进行传送。此时I/O 接口需要有一定大小的FIFO（先进先出）缓冲区。40DMA典型结构41数据块传送：YN允许DMADMA请求？DMAC请求总线CPU响应, DMAC获总线控制权DMA传送一个字节块结束？地址增量，计数器减量DMAC释放总线YN42每次传送一个字节：NYN允许D

14、MADMAC请求总线CPU响应, DMAC获总线控制权DMA传送一个数据块结束？释放总线至少一个总线周期地址增量，计数器减量DMAC释放总线Y测试I/O的DREQ DMA请求？43按需传送：NYCPU响应, DMAC获总线控制权DMA传送一个字节块结束？测试I/O的DREQ 有效？地址增量，计数器减量释放总线，请求中断无效，释放总线允许DMADMA请求？DMAC请求总线YNYN44DMA控制方式优点：n数据传输由DMA硬件来控制，数据直接在 内存和外设之间交换，可以达到很高的传 输速率（可达几MB/秒）45五、I/O通道控制方式n具有自己的指令系统n专门负责外部设备的控制CPU存储器BUSI/OI/O通道通道I/O 接口外设I/O 接口外设 46对于有大量的、高速的I/O设备的微机系统 ，前面几种方法都难以满足要求，于是，人们 又提出并实际上广泛采用了一种专用I/O处理机 （IOP）控制方式，比如8089。这种方式是把原 来由CPU完成的各种I/O操作与控制全部交给I/O 处理器去完成。I/O处理器能够直接存取系统主 存储器，能够中断CPU或被CPU查询，并能直 接执行I/O程序和数据预处理程序。因此，这种 方式可以大大提高CPU对具有大量I/O设备的数 据吞吐量。 47作业：48