《微机原理与接口技术 教学课件 ppt 作者 周鹏ppt 第6章输入输出接口》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微机原理与接口技术 教学课件 ppt 作者 周鹏ppt 第6章输入输出接口（111页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、。,第6章 输入/输出接口 6.1 有关接口的基本概念 6.1.1 接口的概念与功能 一般情况下，外设并不直接与CPU交互，而是通过称为I/O接口的电路与CPU交互。如图61所示:,开始,概 述,一、输入输出系统的发展概况,1. 早期,分散连接,CPU 和 I/O 串行 工作,程序查询方式,2. 接口模块和 DMA 阶段,总线连接,CPU 和 I/O 并行 工作,3. 具有通道结构的阶段,4. 具有 I/O 处理机的阶段,中断方式,DMA 方式,二、输入输出系统的组成,1. I/O 软件,CPU 指令的一部分,通道自身的指令,指出数组的首地址、传送字数、操作命令,如 IBM/370 通道指令为
2、 64 位,2. I/O 硬件,设备,I/O 接口,设备,设备控制器,通道,三、I/O 与主机的联系方式,1. I/O 编址方式,(1) 统一编址,(2) 不统一编址,用取数、存数指令,有专门的 I/O 指令,2. 设备选址,用设备选择电路识别是否被选中,3. 传送方式,(1) 串行,(2) 并行,4. 联络方式,(1) 立即响应,(2) 异步工作采用应答信号,(3) 同步工作采用同步时标,并行,串行,5. I/O 与主机的连接方式,(1) 辐射式连接,(2) 总线连接,不便于增删设备,便于增删设备,I/O接口一般具有以下基本功能： （1）数据缓冲。 （2）执行CPU命令。 （3）设备选择。
3、（4）信号转换与数据格式转换。 当然，并不是每种接口都具有以上全部功能，但是前三项功能则是一般接口都需要的。 6.1.2 接口的信号分类 CPU与I/O接口间通常需要下列接口信号： （1）数据信息： 数据通常为8位或16位，可分为三种基本形式：数字量、开关量和模拟量。 （2）状态信息： 指I/O接口反映I/O设备工作状态的信息。 （3）控制信息： 指CPU向I/O设备发送的控制其工作的信息。,信号等。这三类信息的性质是不同的，必须分别传送。通常是分配不同的端口地址的方法加以区别。 6.1.3 接口的基本结构 尽管不同功能的接口实际电路差别很大，但逻辑上都包括控制部件、状态寄存器、数据寄存器与缓
4、冲电路等,如下图6-2。,6.1.3 端口地址及编址方式 1端口地址 同内存单元需要编址一样，I/O接口也需要编址，这种地址叫做接口地下或叫做端口地址。 2二种编址方式 （1）I/O设备与存储器统一编址 这种方式下对I/O设备与存储器统一编址，在整个CPU地址空间中，划出一部分作为存储器地址空间，另一部分为I/O设备地址空间，如图63（a）（下页）。 （2）I/O设备独立编址 这种方式中存储器与I/O设备各有自己独立的地址空间，各自单独编址，互不相关。如图63（b）(下页)。 IBM PC系列机采用独立编址方式，存储器用20位二进制数编址，范围：00000HFFFFFH，共1MB。I/O设备用
5、16位二进制数编址，范围是：0000HFFFFH，共64KB，但系统实际上只用了03FFH这1024个地址,图6-3,6.1.4 8086/8088的输入/输出指令 1输入指令IN 格式： IN AL，PORT （格式1） IN AX，PORT （格式2） IN AL，DX （格式3） IN AX，DX （格式4） 功能：从端口中读入一个字节或字，并存至寄存器AL或AX中。 2输出指令OUT 格式： OUT PORT，AL （格式1） OUT PORT，AX （格式2） OUT DX，AL （格式3） OUT DX，AX （格式4） 功能：将寄存器AL或AX中的内容输出至指定端口。,6.1.5
6、 端口地址的译码问题 地址总线的A15A0等信号应参加端口地址的译码控制。图64（下图）给出了存储器与I/O接口的译码信号对照。,6.2 接口数据的传送方式 6.2.1 无条件传送方式 又称直接I/O方式，这种方式下，CPU不查询外设状态，在其需要时直接对外设执行I/O操作。此方式优点是硬件和软件都达到最简单；缺点是外设必须随时处于待命状态，并且外设的处理速度能跟上CPU的速度，否则就会出错。 图65（下图）为无条件输入电路,在此例中，开关K的状态总是随时可读的。 CPU可随时用如下指令读取： MOV DX，0FFF7H IN AL，DX AND AL，01H JZ L1 ；若D0=0，即K闭
7、合，则转L1处 L1： 无条件输入/输出的一般电路如图66（下页）所示。 6.2.2 查询传送方式 采用这种方式，CPU在进行输入/输出前，先检查外设提供的READY（准备好）信号是否有效，当有效时，CPU才进行输入/输出操作。查询方式流程如图67所示。,图6-6无条件输入/输出电路,图6-7查询方式流程图 查询传送方式的优点： （1）安全可靠；（2）用于接口的硬件较省。缺点：CPU必须循环等待外设准备就序，导致效率不高。 例：假设外设的信号为低表示外设忙，不能接收数据，为高,表示外设不忙，可以接收一字节的数据。该外设与8086总线的接口如图68。 图6-8 外设与8086总线接口,I/O 与
8、主机信息传送的控制方式,1. 程序查询方式,CPU 和 I/O 串行工作,踏步等待,一般的查询方式输入/输出电路如图69、图6-10（下页）。 图6-9一般的查询方式输入电路 6.2.3 中断传送方式 中断方式的具体方法将在7中专门予以介绍。,2. 程序中断方式,I/O 工作,CPU 不查询,CPU 暂停现行程序,CPU 和 I/O 并行工作,程序中断方式流程,CPU 向 I/O 发读指令,CPU 读 I/O 状态,检查状态,完成否？,准备就绪,图6-10一般的查询方式输出电路 6.2.4 DMA传送方式 DMA方式是一种让数据在外设和内存之间（或者内存到内存之间）直接传送的方式，其基本特点是
9、没有CPU参与数据传送，如图611所示（见下页）。,图6-11 DMA传送方式 在DMA传送期间，CPU自己挂起，把总线控制权让给DMA控制器。DMA控制器控制存储器与I/O接口的数据交换过程。,DMA传送的基本过程如下： （1）外设提出DMA传送请求 （2）DMA控制器向CPU发出总线保持请求 （3）CPU响应 （4）DMA控制器的动作,3. DMA 方式,主存和 I/O 之间有一条直接数据通道,不中断现行程序,周期挪用（周期窃取）,CPU 和 I/O 并行工作,三种方式的 CPU 工作效率比较,程序 查询 方式,程序 中断 方式,DMA 方式,6.3 外部设备,一、概述,外部设备大致分三类
10、,键盘 鼠标 打印机 显示器,磁盘 光盘 磁带,二、输入设备,1. 键盘,2. 鼠标,3. 触摸屏,按键,判断哪个键按下,将此键翻译成 ASCII 码 （编码键盘法）,1. 人机交互设备,2. 计算机信息驻留设备,调制解调器等,机械式、光电式,三、输出设备,1. 显示器,字符发生器,主观图像,客观图像,2. 打印机,点阵式（逐字、逐行）,喷墨（逐字）,激光（逐页）,四、其他,1. A/D、D/A,2. 终端,3. 汉字处理,五、多媒体技术,完成显示控制与存储 键盘管理及通信控制,模拟/数字（数字/模拟）转换器,汉字输入、汉字存储、汉字输出,1. 什么是多媒体,2. 多媒体计算机的关键技术,由键
11、盘和显示器组成,I/O 接 口,一、概述,为什么要设置接口？,1. 实现设备的选择,2. 实现数据缓冲达到速度匹配,4. 实现电平转换,5. 传送控制命令,6. 反映设备的状态（“忙”、“就绪”、“中断请求”）,二、接口的功能和组成,总线连接方式的 I/O 接口电路,2. 接口的功能和组成,功能,组成,选址功能,传送命令的功能,传送数据的功能,反映设备状态的功能,设备选择电路,命令寄存器 命令译码器,数据缓冲寄存器,设备状态标记,完成触发器 D,工作触发器 B,中断请求触发器 INTR,屏蔽触发器 MASK,3. I/O 接口的基本组成,三、接口类型,1. 按数据 传送方式 分类,2. 按功能
12、 选择的灵活性 分类,3. 按 通用性 分类,4. 按数据传送的 控制方式 分类,5.4 程序查询方式,一、程序查询流程,1. 查询流程,单个设备,多个设备,测 试 指 令,转 移 指 令,传 送 指 令,2. 程序流程,设置内存缓冲区首址,设置计数器,启动外设,传送一个数据,修改内存地址,修改计数值,结束I/O传送,5.4,二、程序查询方式的接口电路,以输入为例,程序中断方式,一、中断的概念,K,K+1,Q,Q+1,二、I/O 中断的产生,以打印机为例,CPU 与打印机并行工作,三、程序中断方式的接口电路,1. 配置中断请求触发器和中断屏蔽触发器,INTR 中断请求触发器,INTR = 1
13、有请求,MASK 中断屏蔽触发器,MASK = 1 被屏蔽,来自 CPU 的 中断查询信号,受设备本身控制,D 完成触发器,2. 排队器,排队,在 CPU 内、在接口电路中（链式排队器）,硬件,软件,详见第八章,设备 1#、2#、3#、4# 优先级按 降序排列,5.5,3. 中断向量地址形成部件,入口地址,设备 编码器,详见第八章,5.5,4. 程序中断方式接口电路的基本组成,5.5,四、I/O 中断处理过程,1. CPU 响应中断的条件和时间,(1) 条件,(2) 时间,允许中断触发器 EINT = 1,用 开中断 指令置 “1” EINT,用 关中断 指令置“ 0” EINT 或硬件 自动
14、复位,当 D = 1（随机）且 MASK = 0 时,在每条指令执行阶段的结束前,CPU 发 中断查询信号（将 INTR 置“1”）,5.5,2. I/O 中断处理过程,DBR,设备选择电路,以输入为例,五、中断服务程序流程,1. 中断服务程序的流程,(1) 保护现场,(2) 中断服务,(3) 恢复现场,(4) 中断返回,对不同的 I/O 设备具有不同内容的设备服务,中断返回指令,2. 单重中断和多重中断,不允许中断 现行的 中断服务程序,中断隐指令完成,进栈指令,出栈指令,3. 单重中断和多重中断的服务程序流程,中断隐指令,中断隐指令,单重,多重,主程序和服务程序抢占 CPU 示意,宏观 上
15、 CPU 和 I/O 并行 工作 微观 上 CPU 中断现行程序 为 I/O 服务,程序中断接口芯片 8259A 的内部结构,5.6 DMA 方式,一、DMA 方式的特点,1. DMA 和程序中断两种方式的数据通路,2. DMA 与主存交换数据的三种方式,(1) 停止 CPU 访问主存,控制简单,CPU 处于不工作状态或保持状态,未充分发挥 CPU 对主存的利用率,(2) 周期挪用（或周期窃取）,DMA 访问主存有三种可能,CPU 此时不访存,CPU 正在访存,CPU 与 DMA 同时请求访存,此时 CPU 将总线控制权让给 DMA,(3) DMA 与 CPU 交替访问,CPU 工作周期,所有
16、指令执行过程中的一个基准时间,二、DMA 接口的功能和组成,1. DMA 接口功能,(1) 向 CPU 申请 DMA 传送,(2) 处理总线 控制权的转交,(3) 管理 系统总线、控制 数据传送,(4) 确定 数据传送的 首地址和长度,(5) DMA 传送结束时，给出操作完成信号,修正 传送过程中的数据地址和长度,2. DMA 接口组成,+1,+1,三、DMA 的工作过程,1. DMA 传送过程,预处理、数据传送、后处理,(1) 预处理,通过几条输入输出指令预置如下信息,通知 DMA 控制逻辑传送方向（入/出）,CPU,(2) DMA 传送过程示意,(3) 数据传送过程（输入）,(4) 数据传送过程（输出）,(5) 后处理,校验送入主存的数是否正确,是否继续用 DMA,测试传送过程是否正确，错则转诊断程序,由中断服务程序完成,2. D
