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1、第五章 输入输出及其接口本章学习要求： 了解输入输出接口的基本结构，掌握计算机与外设之间进行数据传送的3种基本输入输出方法及对输入输出接口的要求。1 5.1 为什么要用接口电路一、CPUCPU与外设间的连接与外设间的连接接口概念接口概念 计算机通过外围设备同外部世界通信或交换数据称为计算机通过外围设备同外部世界通信或交换数据称为“输入输出输入输出”。 把外围设备同微型计算机连接起来实现数据传送的控制把外围设备同微型计算机连接起来实现数据传送的控制电路称为电路称为“外设接口电路外设接口电路”，简称简称“外设接口外设接口”。( (介于主介于主机和机和外设之间的一种缓冲电路称为外设之间的一种缓冲电路
2、称为I/OI/O接口电路接口电路) )。2 CPU CPU 与外设的连接不能向与外设的连接不能向 CPUCPU同存储器的连接同存储器的连接那样，直接挂在总线上，而必须通过那样，直接挂在总线上，而必须通过输入输入/ /输出接口输出接口电路来连接，才能实现对外设的有效控制和管理。电路来连接，才能实现对外设的有效控制和管理。数据总线（DB）控制部线（CB）地址总线（AB）中央处理器CPU内存储器I/O接口I/O接口I/O设备I/O设备3二、为什么要用接口电路MEMMEMI/OI/O设备设备不不同同点点品种有限品种有限品种繁多品种繁多功能单一功能单一功能多样功能多样传送方式单一传送方式单一传送规律不同
3、传送规律不同与与CPUCPU速度匹配速度匹配与与CPUCPU速度不匹配速度不匹配易于控制易于控制难于控制难于控制结论结论可与可与CPUCPU直接连接直接连接需经过需经过I/OI/O电路与电路与CPUCPU连接连接原因：存储器与外设的不同存储器与外设的不同I/OI/O接口电路作用：接口电路作用：起隔离、锁存、记忆、变换作用起隔离、锁存、记忆、变换作用4接口电路种类很多：接口电路种类很多：总线控制器（总线控制器（82888288芯片）芯片）时钟发生器（时钟发生器（82848284A A芯片）芯片）总线裁决器（总线裁决器（82898289芯片）芯片）通通用用接接口口电电路路（如如82518251、8
4、2558255、82538253、82378237、82598259、7474LS244/245LS244/245、74LS27374LS273、74LS374/37374LS374/373等）等）专用接口（如电平转换接口、专用接口（如电平转换接口、A/DA/D和和D/AD/A转换器等）转换器等） 接接口口芯芯片片有有两两类类: :一一是是可可编编程程芯芯片片，二二是是简简单单芯芯片。片。 种类：5 5.2 CPU和外设之间的接口信息 接口电路的基接口电路的基本结构同它传送信本结构同它传送信息种类有关。接口息种类有关。接口与外设之间的信号与外设之间的信号可分为三类：可分为三类： 数据信息数据信
5、息 状态信息状态信息 控制信息控制信息65.2 CPU和输入/输出设备之间的信号75.2 CPU和输入/输出设备之间的信号85.2 CPU和输入/输出设备之间的信号95.3 接口部件的I/O端口每个接口部件都每个接口部件都包含一组寄存器包含一组寄存器, , CPUCPU和外设进行数据传输和外设进行数据传输时各类信息在接口中时各类信息在接口中进入不同的寄存器，进入不同的寄存器，一般称这些一般称这些寄存器寄存器为为I/OI/O端口端口，每个端口有，每个端口有一个一个端口地址端口地址，80868086可寻址外设的端口地可寻址外设的端口地址为址为6464K K。 有了端口地址，有了端口地址，CPUCP
6、U对外设的输入对外设的输入/ /输出操输出操作归结为对作归结为对接口芯片接口芯片各各端口端口的读的读/ /写操作。写操作。105.3 接口部件的I/O端口应该指出：应该指出： 不管是输入还是不管是输入还是输出，所用到的地址输出，所用到的地址总是对总是对端口端口而言的，而言的，而不是对而不是对接口部件接口部件而而言的。言的。 11 选择接口时应注意： 输输入入端端口口必必须须采采用用具具有有三三态态门门控控制制的的芯芯片片：输输入入数数据据时时，因因简简单单外外设设输输入入数数据据的的保保持持时时间间相相对对于于CPUCPU的的接接收收速速度度来来说说较较长长，故故输输入入数数据据时时通通常常不
7、不用用加加锁锁存存器器来来锁锁存存，而而直直接接使使用用三三态态缓缓冲冲器器与与CPUCPU数数据据总总线线相相连连，起起隔隔离离作作用用，可可避避免总线竞争免总线竞争。如。如7474LS244LS244等。等。 输输出出端端口口必必须须使使用用锁锁存存器器：输输出出数数据据时时，一一般般都都需需要要锁锁存存器器将将要要输输出出的的数数据据保保持持一一段段时时间间，其其长长短短和和外外设设的的动动作作相相适适应应。锁锁存存时时，在在锁锁存存器器允允许许端端CECE（为为无无效效电电平平）时时，数数据据总总线线上上的的新新数数据据不不能能进进入入锁锁存存器器。只只有有当当确确知知外外设设已已经经
8、取取走走CPUCPU上上次次送送入入的的数数据据，方方能能在在CE=0CE=0电电平平时时将将新新数数据据再再送送入入锁锁存存器器保保留留。如如：7474LS373/74LS374(LS373/74LS374(带带三三态态门门) )，7474LS273LS273等。等。为什么单独的三态门只能做输入为什么单独的三态门只能做输入接口，而不能做输出接口；单独接口，而不能做输出接口；单独的锁存器的作用正好与其相反？的锁存器的作用正好与其相反？12图图a13接口的地址为：FF08HFF09图图b14图图cCP15 CPU与外设之间的数据传送方式，概括起来有如下三种：v 程序传送方式v 程序中断方式v D
9、MA方式 +5.4 CPU和外设之间的数据传送方式165.4.1 程序传送方式 程序传送方式是指CPU与外设间的数据交换在程序控制（即IN或OUT指令控制）下进行。 又分为：无条件传送方式 条件传送方式。 17 无条件传送（又称同步传送）是一种无条件传送（又称同步传送）是一种不需要查不需要查询外设的状态询外设的状态而可而可直接进行传送信息直接进行传送信息的一种传送方的一种传送方式。式。 这种传送方式只对固定的外设（如开关、继电这种传送方式只对固定的外设（如开关、继电器、七段显示器、机械式传感器等简单外设）在固器、七段显示器、机械式传感器等简单外设）在固定时间用定时间用IN IN 或或OUTOU
10、T 指令来进行信息的输入或输出，指令来进行信息的输入或输出，其其实质实质是用程序来定时同步传送数据。对少量数据是用程序来定时同步传送数据。对少量数据传送来说，是最省时间的一种传送方法，适用于各传送来说，是最省时间的一种传送方法，适用于各类巡回检测和过程控制类巡回检测和过程控制。一、无条件传送方式一、无条件传送方式1819二、条件传送方式二、条件传送方式 条件传送也称为条件传送也称为查询方式查询方式传送。用条件传送方式时，传送。用条件传送方式时，CPUCPU通过执行程序不断通过执行程序不断读取并测试外设的状态读取并测试外设的状态，如果外，如果外设处于设处于准备好准备好状态（对输入设备）或状态（对
11、输入设备）或空闲空闲状态（输出设状态（输出设备）则备）则CPUCPU执行执行输入输入（ININ指令）或指令）或输出输出（OUTOUT指令）指令指令）指令与外设交换信息。与外设交换信息。 可见，对于条件传送，一个数据的传送过程由可见，对于条件传送，一个数据的传送过程由3 3个个环节组成：即环节组成：即 CPUCPU从从接口接口中读取中读取状态字。状态字。 CPUCPU检测状态字的对应位是否满足检测状态字的对应位是否满足“就绪就绪”条件，条件，如不满足转如不满足转 如表明外设如表明外设已处于已处于“就绪就绪”状态，则状态，则传送数据传送数据。201 1. 查询方式输入211 1. 查询方式输入22
12、2 2. 查询方式输出232 2. 查询方式输出243 3. 查询方式应用举例 8 8个输入模拟量，经过多路开关个输入模拟量，经过多路开关 它由它由端口端口4 4输出的输出的3 3位二进位二进制码制码( (D2D2、D1D1、D0D0）控制（控制（000000相应于相应于UA0UA0输入、输入、111111相应相应于于UA7UA7输入），每次送出一个模拟量至输入），每次送出一个模拟量至A/DA/D转换器；同时转换器；同时A/DA/D例1253 3. 查询方式应用举例转换器由转换器由端口端口4 4输出的输出的D4D4位位控制启动和停止。控制启动和停止。A/DA/D转换器的转换器的READYREA
13、DY信号由信号由端口端口2 2的的D0D0输至输至CPUCPU数据总线；经数据总线；经A/DA/D转换后的数据由转换后的数据由端口端口3 3输入至数据总线。输入至数据总线。262728 2930例2利用具有三态输出的锁存器（74LS374）作为 输出接口，接口地址为00F8H，若前图a输入接 口的bit3、bit4和bit7同时为1时，将DATA为 首地址的10个内存数据连续由输出接口输出； 若不满足条件则等待，试编程序。 注：输入接口用前面的图a，其接口地址为87F7H。 根据此例要求，即主要是查询接口地址为87F7H的输入接口的状态，确定是否输出10个数据 根据给定的接口地址，其输出接口硬
14、件连接图如下所示3132程序段如下： TDATAPTDATAP：MOV DXMOV DX，SEG DATASEG DATA MOV DS MOV DS，DXDX MOV SI MOV SI，OFFSET DATAOFFSET DATA MOV CX MOV CX，1010 L1: MOV DX L1: MOV DX，87F7H87F7H IN AL IN AL，DXDX AND AL AND AL，98H98H CMP AL CMP AL，98H 98H JNE L1 JNE L1 MOV DX MOV DX，00F8H00F8H L2 L2： MOV AL MOV AL，SISI OUT D
15、X OUT DX，ALAL INC SI INC SI LOOP L2 LOOP L2 HLT HLT ；判断是否同时为1D7D6D5D4D3D2D1D01001100098H334. 系统与多个外设连接时的数据传送 当系统与多个外设连接并利用查询方式进行数据的输入/输出时，可以有两种方法：（1）利用轮流查询的方式来检测接口的状态位。 这种查询方式，可以通过程序的优先级来决定设备的优先级。根据这样的思想，可根据各外设的轻重缓急，给外设安排一个优先级链。 34（2）利用循环查询的方式来检测接口的状态位。 这种查询方式使几个外设处于完全等同的地位，即没有优先级。 例如：见教材P160程序所示4.
16、系统与多个外设连接时的数据传送351. 1. 为何要采用中断方式为何要采用中断方式 可使可使CPUCPU与外设并行工作，消除等待时间，提高与外设并行工作，消除等待时间，提高 CPU CPU的工作效率和提高系统中多台外设的工作效率。的工作效率和提高系统中多台外设的工作效率。2. 2. 中断的工作原理中断的工作原理 对于中断传输过程，为了具有实时性能，一般对于中断传输过程，为了具有实时性能，一般 采用外部中断。采用外部中断。 有两个引脚：有两个引脚：NMINMI：非屏蔽中断非屏蔽中断 INTR INTR：可屏蔽中断可屏蔽中断5.4.2 中断传送方式36 中断响应过程（INTR）由INTA连续送两个
17、负脉冲，从数据总线上读取中断向量码保护断点： 将将PSWPSW入栈入栈 清除清除IFIF、TFTF标志标志 将将CSCS、IPIP入栈入栈得到中断服务程序入口地址 ： IP IP （n n 4)4) CS (n CS (n 4+2)4+2)保护现场：用一系列用一系列PUSHPUSH命令将中断服务程序中用到命令将中断服务程序中用到 的一些寄存器值保护起来。的一些寄存器值保护起来。CS：IPINAL，PORT中断服务OUTPORT，ALIRET（SP+6）3711READY“1”RINTR383 3. . 中断优先级问题的解决中断优先级问题的解决 微型计算机系统中对中断优先级采用以下微型计算机系统
18、中对中断优先级采用以下三种方法来解决：即三种方法来解决：即软件查询方式软件查询方式 P P164164图图6-106-10和程序和程序简单硬件方式简单硬件方式菊花链法菊花链法专用硬件方式专用硬件方式中断控制器中断控制器39 1. 1. DMADMA传送的提出传送的提出 利用中断传送方式，虽可提高利用中断传送方式，虽可提高CPUCPU的工作效率，但的工作效率，但对于高速外设以及成组交换数据的场合，显得太慢，不对于高速外设以及成组交换数据的场合，显得太慢，不能满足要求。能满足要求。原因：原因：仍需仍需CPUCPU通过通过程序程序来实现数据传送，并在处理中断时，还来实现数据传送，并在处理中断时，还要
19、要“保护断点、标志保护断点、标志”、“保护现场保护现场”和和“恢复现场恢复现场”。是按是按字或字节字或字节来进行传输的。来进行传输的。 为了解决这个问题，实现按为了解决这个问题，实现按数据块数据块传输，就需要改变传传输，就需要改变传输方式，这就是直接存储器传输方式，即输方式，这就是直接存储器传输方式，即DMADMA方式方式。5.4.35.4.3 DMADMA传送方式传送方式（即直接存储器传输方式）40 2. DMA传送的含义 DMA（Direct Memory Access)方式或称为数据通道方式是一种由专门的硬件电路执行 I/O交换的传送方式，它使外设接口可直接与内存进行高速的数据传送，而不
20、必经过CPU，这样就不必进行保护现场之类的额外操作，可实现对存储器的直接存取。这种专门的硬件电路就是DMA控制器，简称为DMAC。5.4.35.4.3 DMADMA传送方式传送方式（即直接存储器传输方式）41CPU外设外设存储器存储器总总线线：执行程序指令的数据传送路径执行程序指令的数据传送路径：DMA方式的数据传送路径方式的数据传送路径图为两种不同的传送路径图为两种不同的传送路径423. 几种不同形式的几种不同形式的DMA传送传送 在DMAC的控制下，可实现如下三种形式的高速数据传送。内内存存外外设设内内存存内内存存外外设设外外设设输出输出输入输入DMAC输出输出输入输入DMAC输出输出输入
21、输入DMAC434.DMA传送的原理HOLDHOLDHLDAHLDA444. DMA控制器的工作特点v是一个接口电路，因为它也有是一个接口电路，因为它也有I/OI/O端口地址。端口地址。v能够控制系统总线，可以提供一系列控制信号，像能够控制系统总线，可以提供一系列控制信号，像CPUCPU一一样操纵外设和存储器之间的数据传输，所以样操纵外设和存储器之间的数据传输，所以DMADMA控制器又控制器又不同于一般的接口电路。不同于一般的接口电路。vDMADMA控制器控制的数据传输不同于其它方式的传输；它在控制器控制的数据传输不同于其它方式的传输；它在传输数据时传输数据时不用指令不用指令，而是通过硬件逻辑
22、电路用固定的，而是通过硬件逻辑电路用固定的顺序发地址和用读顺序发地址和用读/ /写信号来实现高速数据传输，写信号来实现高速数据传输，CPUCPU完完全不参与，数据也不经过全不参与，数据也不经过CPUCPU，而是直接在外设和内存之而是直接在外设和内存之间传输。间传输。451.三种基本输入输出方式 即程序直接控制方式、程序中断控制方式和存储即程序直接控制方式、程序中断控制方式和存储器直接存取（器直接存取（DMA)DMA)方式。它们方式。它们传送信息的速度依次越传送信息的速度依次越来越快来越快，其，其传送效率也越来越高传送效率也越来越高，但其，但其实现和管理的实现和管理的复杂性也越来越高复杂性也越来
23、越高。 程序直接控制和中断控制传送方式下的信息传送程序直接控制和中断控制传送方式下的信息传送是通过是通过ININ和和OUTOUT指令实现的，指令实现的， DMA DMA方式则在存储器与外设之间架起直接访问的通方式则在存储器与外设之间架起直接访问的通路，因此与路，因此与CPUCPU的的ININ、OUTOUT指令无关，其存储速度是芯指令无关，其存储速度是芯片的速度。片的速度。 总结总结: :462.系统与接口部件之间的通信联络 在查询方式下，是通过程序来检测接口中状态寄存器中的“准备好”（READY)位，来确定当前是否可以进行数据传输； 在中断方式下，当接口中已经有数据要送往CPU或准备好接收数据时，接口会向CPU发一个外部中断请求，CPU在得到中断请求后，如果响应中断，便通过运行中断处理程序来实现输入/输出； 在DMA方式下，外设要求传输数据时，接口会向DMA控制器发请求信号，DMA控制器转而往CPU发送一个总线请求信号，以得到总线的控制权，如果得到DMA允许，那么，就可以在没有CPU参与的情况下实现DMA传输。结束结束47
