《微机原理与接口技术：第八章 输入输出技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微机原理与接口技术：第八章 输入输出技术（48页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 I/O接口概述接口概述 I/O端口与其寻址方式端口与其寻址方式 CPU与外设之间的数据传送方式与外设之间的数据传送方式本章内容本章内容本章内容本章内容 掌握微型计算机接口技术的基本概念掌握微型计算机接口技术的基本概念 了解主机与外设之间的各种数据传送方式了解主机与外设之间的各种数据传送方式 了解了解I/O端口的寻址方式端口的寻址方式学习目的学习目的学习目的学习目的 8.1 I/O接口概述接口概述微型计算机系统可通过系统总线与外设相连，进行系统的扩展与开发，而外设必须通过接口接口才能与CPU交换信息。CPU或系统总线I/O接口电路外设一、一、一、一、I/OI/O接口的功能接口的功能接口的功能接
2、口的功能 作为接口电路，通常必须为外部设备提供几个不同地址的寄存器，每个寄存器称为一个I/O端口。通常的I/O接口示意图如下图所示：I/O接口示意图 I/O接口内部一般由数数据据、状状态态、控控制制三类寄存器组成。数据寄存器数据寄存器在输入时，保存外设发往CPU的数据 (输入寄存器)在输出时，保存CPU发往外设的数据 (输出寄存器)状状态态寄寄存存器器保存状态信息，CPU可从状态口读取当前状态；控制寄存器控制寄存器用来保存CPU写入的控制字。任何接口电路均包括如下基本功能：任何接口电路均包括如下基本功能：任何接口电路均包括如下基本功能：任何接口电路均包括如下基本功能： 1. 作为微型机与外设间
3、传递数据的中间缓冲站；2.正确寻址与微机交换数据的外设 ；3.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。二、二、二、二、 CPU CPU 与与与与I/OI/O之间的接口信号之间的接口信号之间的接口信号之间的接口信号1. 1. 数据信息数据信息数据信息数据信息 (DATA)(DATA)(1) 数字量数字量 由键盘、光电输入机等输入的信息。(通常以二进制表示的数或以 ASCII 码表示的数或字符) CPU与外设交换的基本信息是数据，有三种类型：(2) 模拟量模拟量非电量信息传感器电量信号处理A/DCPU(3) 开关量开关量两个状态的量 (可以用0、1表示)例如电机的启与停，开关的合与开
4、等。2. 2. 2. 状态信息状态信息状态信息状态信息状态信息状态信息 (STATUS)(STATUS)(STATUS)输入时，输入设备是否准备好？ (READY)输出时，输出设备是否空闲？(BUSY)反映当前外设工作状态的信息，例如：3. 3. 3. 控制信息控制信息控制信息控制信息控制信息控制信息 (CONTROL)(CONTROL)(CONTROL)例如控制I/O 设备启动或停止等。CPUI/O设备I/O接口123ABDBCBDATASTATUSCONTROLCPU 与外设之间的接口信息 CPU通过接口输出用以控制外设工作的信息。通过接口输出用以控制外设工作的信息。外外部部设设备备与与微
5、微处处理理器器进进行行信信息息交交换换必必须须通通过过访访问问该该外外设设相相对对应应的的端端口口来来实实现现。具体访问这些外设端口的过程叫做具体访问这些外设端口的过程叫做寻址寻址。 通通常常有有两两种种寻寻址址方方式式：存存储器器映映像像的的I/OI/O寻址方式址方式和和I/OI/O端口端口单独独寻址方式址方式。 8.2 I/O 端口及其寻址方式端口及其寻址方式一、存储器映像的一、存储器映像的一、存储器映像的一、存储器映像的I/OI/O寻址方式寻址方式寻址方式寻址方式 端口地址与存储器地址统一编址端口地址与存储器地址统一编址存储器映像的I/O端口寻址连接方式 A15WRRDCPURDWR优点
6、：优点：1.端口寻址手段丰富，且不需要专门的I/O指令。2.I/O寄存器数目与外设数目不受限制，而只受总存储容量的限制。3.读写控制逻辑比较简单。缺点：缺点：I/O端口要占用存储器的一部分地址空间，使可用的内存空间减少。二、二、二、二、I/OI/O端口单独寻址方式端口单独寻址方式端口单独寻址方式端口单独寻址方式 I/OI/O端口和存储器分开寻址端口和存储器分开寻址 I/O端口单独寻址方式示意图 CPU访问I/O端口必须采用专用I/O指令，故也叫专用I/O指令方式（Special I/O Instruction Mode）。这些专用的I/O指令通常有两类，即输入指令IN、输出指令OUT及其相关指
7、令组。对于不同的微处理器，具有各不相同的指令格式。 8086/8088等就采用了I/O端口单独寻址方式。 这些指令包含直接寻址和寄存器间接寻址两种 类型。对以8086为CPU的PC系列机而言，如采用直接寻址，则其指令格式为：输入指令： IN AL，PORT 输出指令： OUT PORT, AL这种直接寻址方式的端口地址为一个字节长，可寻址256个端口采用间接寻址，则其指令格式为：输入指令：IN AL，DX 输出指令：OUT DX，AL 这种间接寻址方式的端口地址为两个字节长，由DX寄存器间接给出，可寻址64K个端口地址。 优点：优点：1. I/O口的地址空间独立，且不占用存储器地址空间。 2.
8、地址线较少，且寻址速度相对较快 。3.专门I/O指令的使用，使编制的程序清晰，便于理解和检查。1. I/O指令较少，导致程序设计的灵活性较差；2.需要存储器和I/O端口两套控制逻辑，增加了控制逻辑的复杂性。缺点：缺点： 8.3 CPU与外设之间的数据传送方式与外设之间的数据传送方式微微机机与与外外设设间间的的数数据据传传送送，实实际际上上是是CPU与与I/O接接口口间间的的数数据据传传送送。CPU与与外外设设间间的的数数据据传传送送通通常常包包括括无无条条件件传传送送、查查询询传传送送、 中断传送、中断传送、以及以及DMA方式方式。一、无条件传送方式一、无条件传送方式一、无条件传送方式一、无条
9、件传送方式 无条件传送一般适合于数据传送不太频繁的情况，如对开关、数码显示器等一些简单外设的操作。所谓无条件，就是假设外设已处于就绪状态，数据传送时，程序就不必再去查询外设的状态，而直接执行I/O指令进行数据传输。无条件传送接口示意图输出操作：输出操作：OUT PORT， AL输入操作：输入操作：IN AL，PORT M/IO=0，RD=0，地址译码有效，输入，地址译码有效，输入 缓冲器被选中。缓冲器被选中。 M/IO=0，WR=0，地址译码有效，输出锁，地址译码有效，输出锁存器被选中。存器被选中。无条件传送的接口电路举例 二、查询传送方式二、查询传送方式二、查询传送方式二、查询传送方式 程序
10、控制下的查询传送方式，又称异步传送方式。它在执行输入输出操作之前，需通过测试程序对外部设备的状态进行检查。当所选定的外设已准备“就绪”后，才开始进行 输 入 输 出 操 作 。 查询传送方式流程图 查询传送方式送方式工作流程包括两个基本工作环节工作流程包括两个基本工作环节 （1）查询环节 主要通过读取状态寄存器的标志位来检查外设是否“就绪”。（2）传送环节 当上一环节完成后，将对数据口实现寻址，并通过输入指令从数据端口输入数据，或利用输出指令向数据端口输出数据。 1. 1.查询式输入查询式输入查询式输入查询式输入 查询输入接口电路工作过程：当输入设备的数据已经准备好后，一方面将数据送入8位锁存
11、器，另一方面对D触发器触发，使状态信息标志位D0为1。当CPU要求外设输入信息时，先检查状态信息。若数据已经准备好，则输入相应数据，并使状态信息清“0”。否则，等待数据准备“就绪”。 查询式输入时的数据和状态信息 查询式输入程序流程图 NEXT：IN A ，STATUS-PORT ；从状态口输入状态信息TEST AL ，01H ；测试标志位是否为1JZ NEXT ；未就绪，继续查询IN AL ，DATA-PORT ；从数据端口输入数据 2. 2.查询式输出查询式输出查询式输出查询式输出 查询输出接口电路工作过程：当输出设备将数据输出后，会发出一个ACK信号，使D触发器翻转为0。CPU查询到这个
12、状态信息后，执行输出指令，将新的输出数据发送到数据总线上，同时把数据口地址发送到地址总线上。由地址译码器产生的译码信号和相“与”后，发出选通信号，将输出数据送至8位锁存器。同时，将D触发器置为1，并通知外设进行数据传输操作。 查询式输出的端口信息 查询式输出程序流程图 NEXTOUT： IN AL ,STATUS_PORT ；从状态口输入状态信息 TEST AL ,80H ；测试标志位D7 JNZ NEXTOUT ；未就绪，继续查询 MOV AL ,BUF ；从缓冲区BUF取数据 OUT DATA_PORT ,AL ；向数据端口输出 三、三、三、三、 中断传送方式中断传送方式中断传送方式中断传
13、送方式为了进一步提高CPU的效率和使系统有实时性能，可以采用中断传送方式。在中断传送方式下，当外设准备好时，主主动动向CPU发出中断请求，请求CPU进行数据的输入输出。中断传送方式的输入接口电路 中断方式的数据输入 采采用用中中断断传传送送方方式式时时,外外设设处处于于主主动动地地位位,无无需需CPU花花费费大大量量时时间间去去查查询询外外设设的的工工作作状状态态。与与程程序序方方式式相相比比，大大大大提提高高了了CPU的效率。的效率。外设请求中断INTR有效主程序中断服务程序输入数据外设准备数据四、四、四、四、DMADMA方式方式方式方式DMA (Direct Memory Access):
14、 是是存存储储器器与与外外设设或或存存储储器器之之间间进进行行大大量量数数据据传传送送的的方方法法，是是在在DMA控控制制器器(DMAC)的控制下进行的。的控制下进行的。CPU总线存储器外设程序控制的数据输入/输出DMADMA与程序控制数据传送路径比较DMADMA与程序控制数据传送路径的比较与程序控制数据传送路径的比较与程序控制数据传送路径的比较与程序控制数据传送路径的比较1.DMA1.DMA传送的工作原理传送的工作原理传送的工作原理传送的工作原理DMA传送原理图DMA工作流程 （2） CPU 响响应应后后，接接管管对对总总线线的的控控制制，进进入入 DMA方式。方式。（1 1） 能向能向CP
15、U 发出发出 BUSRQ 请求信号。请求信号。（3） 能能发发出出地地址址信信息息，并并对对I/O端端口口或或存存储储器器寻寻址。址。2.DMA 2.DMA 控制器的基本功能控制器的基本功能控制器的基本功能控制器的基本功能（5）决定数据传送的地址和数据传送的长度。）决定数据传送的地址和数据传送的长度。（4 4）发出读、写控制信号。发出读、写控制信号。（6）判判断断DMA 操操作作的的结结束束，撤撤消消总总线线请请求求信信号号，使使CPU 恢复正常工作。恢复正常工作。3. 3. DMADMA操作方式操作方式操作方式操作方式 （1）单字节方式DMADMA控制器操作每次均只传送一个字节。控制器操作每
16、次均只传送一个字节。 （2）字组方式也叫请求方式或查询方式。这种方式以有也叫请求方式或查询方式。这种方式以有DMADMA请求为前提，能够连续传送一批数据。请求为前提，能够连续传送一批数据。 （3）连续连续方式连续操作方式是指在数据块传送的整个过程中连续操作方式是指在数据块传送的整个过程中, ,不管不管DMADMA请求是否撤消，请求是否撤消，DMADMA控制器始终控制着控制器始终控制着总线。除非传送结束或检索到总线。除非传送结束或检索到“匹配字节匹配字节”，才把总线控制权交回才把总线控制权交回CPUCPU。 特点特点从从DMADMA操作角度来看，以连续方式最操作角度来看，以连续方式最快，字组方式次之，单字节方式最慢。快，字组方式次之，单字节方式最慢。 从从CPUCPU的使用效率来看，则正好相反，的使用效率来看，则正好相反，以单字节方式最好，连续方式最差，以单字节方式最好，连续方式最差，字组方式居中。字组方式居中。
