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1、第六章 输入/输出,第六章 输入/输出,本章内容 基本概念接口的作用和功能I/O端口的编址 输入/输出数据的传输控制方式 无条件、查询、中断、DMA DMA* DMA的基本概念 DMA工作过程 DMA的三种传输方式,6.1 输入/输出接口概述,计算机的输入输出（即I/O）是计算机系统中不可缺少的重要组成部分，没有它，计算机只是一个聪明的“瞎子和哑巴”，既不知道人要它做什么，也不知道把计算机的结果反映出来，没有I/O，再高档的计算机也无法为人服务。现代计算机系统中外部设备种类繁多，各类外部设备不仅结构和工作原理不同，而且与主机的连接方式也可能完全不同。为了方便地将主机与各种外设连接起来，并且避免
2、主机陷入与各种外设打交道的沉重负担之中，我们需要一个信息交换的中间环节，这个主机与外设之间的交接界面就称作输入/输出接口。,什么是I/O接口（电路）？ I/O接口是位于系统与外设间、用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路，I/O接口就是CPU与外设的连接部件。 PC机系统板的可编程接口芯片、I/O总线槽的电路板（适配器）都是I/O接口电路,接口在CPU与外设之间,接口：CPU与外设间的中间电路。接口的分类如下图所示：,接口分类,基本接口：8259，8237，8254,通用接口：8255，8251 ，usb，1394,专用接口：键盘接口，显示器接口,I/O接口要解决的问题 信息变换，信号形式匹
3、配(A/D、D/A；串/并，并/串) 速度协调，速度匹配(Buffer) 辅助与缓冲,具体地说，I/O接口应具有以下主要功能或其中的一部分功能：1）寻址功能：对送来的片选信号进行识别。2）输入/输出功能：根据读/写信号决定当前进行的是输入操作还是输出操作。3）数据转换功能： A/D转换功能、D/A转换功能、串/并转换功能、并/串转换功能等。4）联络功能：就绪信号，忙信号等。5）中断管理：发出中斯请求信号、接收中断响应信号、发送中断类型码的功能。并具有优先级管理功能。 6）错误检测：奇偶校验，循环冗余校验，海明码校验。 7）可编程：可编程功能意味着I/O接口具有较强的通用性、灵活性和可扩充性，即
4、在不改变硬件设计的条件下，I/O接口可以接收并解释CPU的控制命令，从而改变接口的功能与工作方式。6）复位：接收复位信号，从而使接口本身以及所连的外设进行重新启动。,I/O接口的功能,I/O端口：I/O信息的三种类型：数据、命令、状态。传送这三类信息的通道分别称为：数据端口(I、O)、状态端口(I)、命令端口(O) 。 不同外设具有的端口数各不相同，计算机中为每一个端口都赋予一个惟一编号称为端口地址(或端口号)。 端口有两种编址方式：统一编址和独立编址。,6.1.2 I/O接口的编址方式,I/O接口电路的基本结构,数据 缓冲器,状态 寄存器,控制 寄存器,总线驱动,地址译码,控制逻辑,接CPU
5、一侧,接外设一侧,接口,I/O端口编址方式：存储器映像或I/O独立编址,一个外设可能有多个端口，一个端口也可能属于多个外设,主板上的I/O地址：00FFH；扩展槽上的I/O地址：1003FFH,定义把外设接口与内存统一进行编址。各占据统一地址空间的不同部分。 优点 指令统一，灵活； 访问控制信号统一，使用同一组的地址/控制信号。 缺点 内存可用地址空间减小 地址长，指令代码长，相应地读写执行时间也较长 例如: MCS-51单片机,0,地址空间(共1MB),内存地址 (960KB),I/O地址 (64KB),FFFFFH,EFFFFH F0000H,1. 统一编址,定义: 外设地址空间和内存地址
6、空间相互独立。 优点：内存地址空间不受I/O编址的影响 缺点：I/O指令功能较弱，使用不同的读写控制信号,00000H,内存地址空间,内存空间 (1MB),I/O空间 (64KB),FFFFH,FFFFFH,I/O地址空间,0000H,2. 独立编址,例如: 8088/8086 微机系统,MCS-51 单片机,I/O端口与内存统一编址示意图,8088/ 8086,20,16,I/O端口独立编址示意图,6.2 输入输出数据的传输控制方式,I/O接口电路基础：三态缓冲器/锁存器 问题：CPU与外设的工作速度不一致，尤其是当外设由其他CPU或时序电路控制时更加明显，应如何解决效率和可靠性。,数据传送
7、控制：使两者高效、可靠地进行数据传送,(1) 无条件传送方式 (2) 条件传送方式 ( 查询方式 ) (3) 中断传送方式 (4) DMA传送方式 ( Direct Memory Access )存储器直接存取方式,三种传送方式,(程序方式),无条件程序控制最简单，只需直接使用输入/输出指令即可。相对应用最少。程序查询适于与速度不匹配的设备进行数据交换，但CPU必须等待外设准备好，工作效率低。中断控制高效、实时，但要付出相对较高的硬件代价。直接存储器存取即DMA方式。无需程序控制，因而速度最快。,无条件程序控制（同步控制）方式,一种最简单的I/O控制方式，CPU可以随时根据需要无条件地读写I/
8、O端口,外设要求：简单，数据变化缓慢，操作时间固定，如一组开关或LED显示管。外设被认为始终处于就绪状态,接口特点 CPU的DBI/O接口(输出锁存器)外设 CPU的DBI/O接口(输入缓冲器)外设,无条件传送方式硬件电路图,条件传送方式(查询传送方式),实现方法：在与外设进行传送数据前，CPU先查询外设状态，当外设准备好后，再才执行I/O指令，实现数据传送。 特点：1. CPU通过不断查询外设状态，实现与外设的速度匹配;2. CPU的工作效率低，响应速度慢;3. 适用于简单、慢速的或实时性要求不高的外设.,一般外设均可以提供一些反映其状态的信号，如对输入设备来说，它能够提供“准备好”（“RE
9、ADY”）信号，“READY” 1 表示输入数据已准备好。输出设备则提供“忙” (“BUSY”)信号，“BUSY”1表示当前时刻不能接收CPU来的数据，只有当“BUSY”0时，才表明它可以接受来自于CPU的输出数据。,条件传送方式(查询传送方式),过程： 输入操作的程序流程如图所示： 对READY的状态查询，是通过读状态端口的相应位来实现的，输出的情况亦大致相同，这种传送控制方式的最大优点是，能够保证输入/输出数据的正确性。,查询方式输入接口原理图,0,1,0,查询方式输出接口原理图,0,1,1,0,0,例1 假设从某输入设备上输入一组数据送缓冲区，接口电路如图6-4，若缓冲区已满则输出一组信
10、息“BOFFER OVERFLOW”，然后结束。设该设备的启动地址为0FCH，数据端口为0F8H，状态端口为0FAH。,程序如下： DATA SEGMENT MESS1 DB “BUFFER OVERFLOW”，“$” BUFF DB 60 DUP(?) DATA ENDS CODE SEGMENT ASSUME CS：CODE，DS：DATA,START：MOV AX，DATAMOV DS，AXMOV BX，OFFSET BUFF ；送缓冲区指针MOV CX，60 ；送计数初值OUT 0FCH，AL ；启动设备WAIT：IN AL，OFAH ；查询状态，若为0，则等待TEST AL，01HJ
11、Z WAITIN AL，0F8H ；输入数据MOV BX，ALINC BXLOOP WAIT ；检测缓冲区是否满，不满再输入MOV DX，OFFSET MESS1 ；缓冲区满，输出标志字符串MOV AH，09HINT 21HMOV AH，4CHINT 21HCODE ENDS END START,轮流查询流程图,优先级问题当CPU需对多个设备进行查询时，就出现了所谓的优先级问题，即究竟先为哪个设备服务，一般来讲，在这种情况下都是采用轮流查询的方式来解决，如图所示,中断传送方式,实现方法：1. 当外设准备好，向CPU发出中断请求2. CPU在满足响应中断的条件下，发出中断响应信号；3. CPU暂
12、停当前的程序，转去执行中断服务程序，完成与外设的数据传送；4. CPU从中断服务程序返回，继续执行被中断的程序,中断方式下CPU执行程序流程,硬件中断-NMI 与INTR两根线申请中断(与CALL差别大) 软件中断-INT n与INTO指令(与CALL功能类似),时间随机 两者无关,中断传送方式,中断优先级,当系统中有多个设备提出中断请求时，就有一个该响应谁的问题，也就是一个优先级的问题，解决优先级的问题一般可有三种方法：软件查询法、简单硬件方法及专用硬件方法。,（1）软件查询法,中断优先级,(2) 简单硬件方法,中断优先级,(3) 专用硬件方法,中断控制器的系统连接,图：中断服务子程序,1.
13、 CPU和外设大部分时间处在并行工作状态,只在CPU响应外设的中断申请后，进入数据传送的过程。 2. 中断传送方式提高了CPU的效率。 3. 对外设的请求能作出实时响应, 可处理故障。 4. 适于实时、快速、复杂的外设，但不适用于大量、高速频繁数据交换DMA。,中断传送方式的特点,DMA传输方式,前面3种I/O方式共性: 都需要CPU作为中介：外设 CPU 内存两个含义：1）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）；2）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（总线由CPU控制）。缺点：程序的执行速度限定了传送的最大速度（约为几十KB/
14、秒） 解决办法：DMA传输 外设 内存,DMAC,DMA 传送方式(直接存储器存取方式),实现方法 1. 由专用接口芯片DMA控制器 (称DMAC) 控制传送过程， 2. 当外设需传送数据时，通过 DMAC向 CPU发出总线请求HOLD ； 3. CPU发出总线响应信号HLDA，释放总线； 4. DMAC接管总线，控制外设、内存之间直接数据传送,DMA的工作流程图,CPU,DMAC,MEM,I/O,A0A15,DMA控制器的工作过程： 1）当外设准备好，可以进行DMA传送时，外设向DMA控制器发出“DMA传送请求”信号（DRQ）； 2）DMA控制器收到请求后，向CPU发出“总线请求”信号HOL
15、D，表示希望占用总线； 3）CPU在完成当前总线周期后会立即对HOLD信号进行响应。响应包括两个动作：一是CPU将数据总线、地址总线和相应的控制信号线均置为高阻态，由此放弃对总线的控制权。另一方面，CPU向DMA控制器发出“总线响应”信号（HLDA）。 4）DMA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DACK；,DMA控制器的工作过程（续） 5）DMA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； 例如，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，即可从外设向内存传送一个字节。 6）DMA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信号，并在下一时钟周期重新开始控制总线。,DMAC的结构,数据,端口,状态,/,控制,端口,DMA,控制器,地址寄存器,计,数,器,控制,/,状态寄存器,C,P,U,存,储,器,数据缓冲,寄存器,DMA,请求,触发器,输,入,设,备,
