《微机原理及接口技术 教学课件 ppt 作者 胡 蔷 第7章 输入输出技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微机原理及接口技术 教学课件 ppt 作者 胡 蔷 第7章 输入输出技术（67页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,第七章 输入输出技术,内容提要：本章介绍微型计算机输入输出接口的相关知识。具体介绍了I/O接口的一般功能、典型结构，I/O端口的编址方式和输入/输出的几种数据传送方式。在本章最后，我们对一些简单I/O接口设计的一般方法进行了讨论并举例说明。 学习要求：在对一般输入输出接口知识进行讲解的基础上，重点介绍I/O端口的编址方式和不同输入/输出传送方式的特点，结合系统设计实践重点讲解简单I/O接口设计方法和技术。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,2,第七章 输入输出技术,本章目录 7.1 概述 7.2 CPU与外设间数据传送方式 7.3 简单I/O接口设计 7.4 简单I/O接口芯片 7.5
2、DMA控制器 小结,机械工业出版社 微机原理及接口技术,3,7.1 概述,微型计算机无论是用于科学计算、数据处理或实时控制，都需要与输入/输出设备或被控对象之间频繁地交换信息。 CPU和外界交换信息的过程称为输入/输出，即通信。,7.1.1 I/O接口功能,I/O设备不同，使用场合不同，与微机间传送信息的过程不同，所传送的内容也不同。通常可分为两类。 使微处理器正常工作所需要的辅助电路：时钟信号或中断请求等； 输入/输出接口电路：CPU与外部设备信息的传送（接收、发送）。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,4,分析一下外部设备的输入/输出操作和存储器读/写操作的不同之处。 存储器都是用来保存
3、信息的，功能单一，传送方式单一（一次必定是传送1个字节或者1个字），品种很有限(只有只读类型和可读/可写类型)，存取速度基本上和CPU的工作速度匹配。 外部设备的功能多种多样的（输入设备/输出设备），信息多样（数字式，模拟式），信息传输的方式（并行，串行），外设的工作速度通常比CPU的速度低得多，而且各种外设的工作速度互不相同，这也要求通过接口电路对输入/输出过程起一个缓冲和联络的作用。 接口电路完成相应的信号转换、速度匹配、数据缓冲等功能。,1使用接口电路的原因,机械工业出版社 微机原理及接口技术,5,I/O接口是用来连接微机和外设的一个中间部件，因此，I/O接口电路要面对主机和外设两个方面
4、进行协调和缓冲。I/O接口通常可能具有下列功能： 数据输入、输出功能。能对传送数据提供缓 冲功能，以协调主机与外设间的定时及数据传输速度的差异。 正确寻址与微机交换数据的外设 。接口电路的功能之一就是能对 CPU 给出的端口地址进行译码。 提供微型机与。外设间交换数据所需的控制逻辑与状态信号，在输入输出时，必须将这些信号转变成适合的形式才能传输。,2接口的功能,机械工业出版社 微机原理及接口技术,6, 数据转换功能。并行数据向串行数据的转换或串行数据向并行数据的转换；能提供主机与外设间有关信息的相容性变换，如逻辑极性变换、串、并行变换等；能提供信号电平的匹配功能。 联络功能。能反映外设当前的工
5、作状态（如是否就绪，是否空闲）、接收CPU的控制信号。 能对外设进行中断管理。如暂存中断请求，中断优先级排队，提供中断类型码等。并有优先级管理功能。 定时与控制功能。提供接口内部工作所需的时序以及与CPU时序的协调。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。 可编程：用软件来决定其工作方式，用软件来设置有关的控制信号。 错误检测：一类是传输错误。另类是覆盖错误。某些接口还可根据具体情况设置其它的检测信息。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,7,7.1.2 I/O接口的基本模型,微机与I/O设备间传送的信息大致可分为以下三类：数据信息、控制信息和状态信息。 数据信息 1）数字量。
6、典型的数字信息如用二进制表示的字母、数字、BCD码和字符等。 2）模拟量。当微机用于控制系统时，从现场通过各种传感器采集到都是连续变化的模拟量。 3）开关量。开关量就是状态量。 控制信息 是CPU发出的用来控制外设工作的命令。 状态信息 是用来反映输入、输出设备当前工作状态的信号。,1.传输信息,机械工业出版社 微机原理及接口技术,8,不同的外设需要配备不同的接口电路，不同的I/O接口，其内部结构各不相同，但不论哪种I/O接口，一般都必须具有以下基本部件： （1）数据输入、输出寄存器（或称数据锁存器）。用来实现接口电路的数据缓冲功能。即和缓冲器一起实现对输入、输出数据的缓冲。 （2）控制寄存器
7、。用来接收CPU的各种控制命令，以实现CPU对外设的具体操作的控制。 （3）状态寄存器。用来反映外设的当前工作状态或接口电路本身的工作状态，用SR中的某一位反映外设的状态，常用的两个状态位是准备就绪信号READY和忙信号BUSY。 （4）定时与控制逻辑。用来提供接口电路内部工作所需要的时序及向外发出各种控制信号或状态信号，是接口电路的核心部件。图7-1所示是I/O接口的典型结构。,2. I/O接口结构,机械工业出版社 微机原理及接口技术,9,机械工业出版社 微机原理及接口技术,10,3. 接口与系统的连接,接口电路位于CPU与外设之间，从结构上看，可以把一个接口分为两个部分 和I/O设备相连；
8、 和系统总线相连，这部分接口电路结构类似，连在同一总线上。图7-2是一个典型的I/O接口和外部电路的连接图。 联络信号：读/写信号，以决定数据传输方向。 地址译码器，片选信号：地址译码器除了接收地址信号外，还用来区分I/0地址空间和内存地址空间的信号(M/ IO )，用于译码过程。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,11,机械工业出版社 微机原理及接口技术,12,7.1.3 I/O接口的寻址方式,1. 存储器统一编址,统一编址方式也称为存储器映象I/O寻址方式。该寻址方式是将每一个I/O端口作为存储器的一个单元看待，即每一个端口占一个存储单元地址，存储器和I/O端口共处统一的地址空间，系统设
9、计时，划分一部分存储空间作为I/O地址空间。如图7-3所示。 MCS-51系列单片机采用此编址方式。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,13,所谓I/O端口独立编址(I/O Mapped)，也称为I/O隔离编址或I/O指令寻址方式，即I/O端口地址区域和存储器地址区域，分别各自独立编址。,2.I/O独立编址,机械工业出版社 微机原理及接口技术,14,（1）8086/8088采用的IN和OUT指令 I/O指令可以采用8位(单字节)或16位(双字节)地址两种寻址方式。 例如: IN AX，Port ；从Port端口输入16位数据到AX IN AL，Port ；从Port端口输入8位数据到AL 也
10、可以根据寻址方式分为下列两种情形： 1)直接寻址 如： OUT 44H，AX 在这种方式之下，输入输出指令中直接给出接口地址，且接口地址由一个字节表示。 2)寄存器间接寻址 如：MOV DX，03F8H IN AL，DX 接口地址由16位寄存器DX的内容来决定。,3 . I/O指令,机械工业出版社 微机原理及接口技术,15,7.2 CPU与外设间数据传送方式,7.2.1 程序控制方式,1.无条件传送方式 无条件传送方式是一种最简单的输入/输出控制方法，一般用于控制CPU与低速I/O接口之间的信息交换。 2. 查询传送方式 查询传送方式又称为有条件传送方式。这种传送方式在接口电路中，除具有数据缓
11、冲器或数据锁存器外，还应具有外设状态标志位，用来反映外部设备数据的情况。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,16,7.2.2 中断方式,微机系统采用中断控制I/O方式是很方便的。CPU执行完每一条指令后，都会去查询外部是否有中断请求，若有，就暂停执行现行的程序，转去执行中断服务程序，完成传送数据的任务。当然，在一个具有多个外设的系统中，在同一时刻就往往不止一个外设提出中断请求，这就引入了所谓中断优先权管理和中断嵌套等问题。,1中断和中断源,所谓中断就是CPU暂停当前程序的执行，转而执行处理紧急事务的程序，并在该事务处理完后能自动恢复执行原先程序的过程。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,1
12、7,计算机系统有上百种可以发出中断请求的中断源，但最常见的中断源是：外设的输入输出请求，如：键盘输入引起的中断，通信端口接受信息引起的中断等；还有一些计算机内部的异常事件，如：0作除数、奇偶校验错等。,CPU在执行程序时，是否响应中断要取决于以下三个条件能否同时满足： (1)有中断请求； (2)允许CPU接受中断请求； (3)一条指令执行完，下一条指令还没有开始执行。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,18,2中断向量表和中断服务程序,中断向量表是一个特殊的线性表，它保存着系统所有中断服务程序的入口地址(偏移量和段地址)。在8086微机系统中，该向量表有256个元素(00FFH)，每个元素占
13、4个字节，总共1K字节，其在内存中的存储形式及其存储内容如图7-7所示。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,19,中断处理程序基本上是系统程序员编写好的，是为操作系统或用户程序服务的。为了在应用程序中使用中断服务程序，程序员必须能够在程序中有目的地安排中断的发生。为此，指令系统提供了各种引起中断的指令。 （1）中断指令 INT （2）溢出指令 INTO （3）中断返回指令 IRET,3 引起中断的指令,机械工业出版社 微机原理及接口技术,20,7.2.3 直接存储器存取（DMA）方式,采用中断方式，信息的传送是依靠CPU执行中断服务程序来完成的，所以，每进行一次I/O操作，都需要CPU暂停执
14、行当前程序，把控制转移到优先权最高的I/O程序。在中断服务程序中，需要有保护现场和恢复现场的操作，而且I/O操作都是通过CPU来进行的。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,21,DMA的工作过程大致如下： (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HOLD，申请占用总线。 (3)CPU在完成当前总线周期后会立即对HOLD信号进行响应。 (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。 (5)DMA控制器送出地址信号和相应的控制信号，实现外设
15、与内存或内存与内存之间的直接数据传送。 (6)DMA控制器自动修改地址和字节计数器，并据此判断是否需要重复传送操作。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,22,DMA主要适用以下几种场合: (1)硬盘和软盘I/O。 (2)快速通信通道I/O。 (3)多处理机和多程序数据块传送。 (4)扫描操作。 (5)快速数据采集。 (6)在PC/XT机中还采用DMA方式进行DRAM的刷新操作。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,23,I/O端口是CPU与输入输出设备的交换数据的场所，通过I/O端口，处理机可以接受从输入设备输入的信息；也可向输出设备发送信息。在计算机系统中，为了区分各类不同的I/O端口，就
16、用不同的数字给它们进行编号，这种对I/O端口的编号就称为I/O端口地址。,7.3 简单I/O接口设计,7.3.1 CPU或系统总线的I/O接口信号,CPU 与 I/O 之间的接口信号通常包括数据信息、状态信息和控制信息等。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,24,1. 数据信息,在微型计算机系统中，数据通常包括数字量、模拟量和开关量等三种类型，其位数有 8 位、16位和32位三种。数字量指由键盘或其它读入设备输入的，以二进制形式表示的数，或是以ASCII 码表示的数或字符。模拟量 是指 在计算机控制系统中，某些现场信息（如压力、声音等）经传感器转换为电信号，再通过放大得到模拟电压或电流。,2. 状态信息,状态信息作为一种 CPU 与 I/O 之间的接口信号，主要用来指
