微机原理及应用ch6-stu.ppt

第6章基本输入输出接口 西南石油大学计算机科学学院教师郑津 如何设计实现抢答器 问题 抢答器微处理器如何与外部I O部件进行信息交换 2 教学重点 I O接口电路的典型结构无条件传送方式查询传送方式中断工作过程 结合第七章学习 第六章输入 输出及接口 重点 重点 6 1什么是I O接口 什么是I O接口 电路 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主板上的可编程接口芯片 插在I O总线槽的插卡 适配器 都是接口电路 6 1I O接口的功能 为什么需要I O接口 电路 微机的外部设备多种多样工作原理 驱动方式 信息格式 以及工作速度方面彼此差别很大因此必须经过中间电路再与系统相连 这部分电路被称为I O接口电路 对输入输出数据进行缓冲和锁存 对信号的形式和数据的格式进行变换 对I O端口进行寻址 与CPU和I O设备进行联络 I O接口完成的功能 6 1 2I O接口的典型结构 CPU与外设主要有数据 状态和控制信息需要相互交换 于是从应用角度看内部 数据寄存器保存外设给CPU和CPU发往外设的数据 状态寄存器保存外设或接口电路的状态 控制寄存器保存CPU给外设或接口电路的命令 接口寄存器又称为端口 Port 6 1 3I O端口的编址 I O接口是通过编程控制 其软件包括 初始化程序段 设定芯片工作方式等数据交换程序段 管理 控制 驱动外设 操作芯片完成具体工作I O接口的寻址尤为关键 取决于编址方式的设置 I O端口与存储器统一编址和独立编址对比 优点 不需要专门的I O指令I O数据存取与存储器数据存取一样灵活缺点 I O端口要占去部分存储器地址空间程序不易阅读 不易分清访存和访问外设 优点 I O端口的地址空间独立控制和地址译码电路相对简单专用的I O指令使程序清晰易读缺点 I O指令没有存储器指令丰富 80 x86采用I O端口独立编址 统一编址 独立编址 I O寻址方式 8088 8086使用低16位地址总线寻址 可访问端口64K个 每个端口每次传送一个字节的外设数据 方式1 直接寻址 直接给出端口号 方式2 间接寻址 由DX给出端口号 事先将端口号放在DX中 说明 端口号为0 255 0 ffh 时 可在指令中直接指出端口号 端口号大于255 100h ffffh 时 必须先将端口号传送到DX中 6 1 48088 8086的输入输出指令 输入指令INAL i8 字节输入 直接寻址INAL DX 字节输入 间接寻址INAX i8 字输入 直接寻址INAX DX 字输入 间接寻址输出指令OUTi8 AL 字节输出 直接寻址OUTDX AL 字节输出 间接寻址OUTi8 AX 字输出 直接寻址OUTDX AX 字输出 间接寻址 举例 IN指令 从20H端口输入一个字 方法1 字量输入 直接寻址inax 20h方法2 字量输入 间接寻址movdx 20hinax dx 方法3 字节输入 直接寻址inal 21hmovah alinal 20h方法4 字节输入 间接寻址movdx 21hinal dxmovah aldecdxinal dx OUT指令 向300H端口输出一个字节 唯一的方法 间接寻址 字节量输出moval bvar bvar是字节变量movdx 300houtdx al 6 1 5I O地址的译码 I O地址的译码方法与存储器地址的译码方法一样 但有它的特点 I O空间足够大 运行造成一定的浪费不同外设操作相互独立 编址不太强调地址的连续性部分译码时 通常是中间地址线不连接 IBMPC AT主机板的I O译码电路 数据传送方式 第六章输入 输出及接口 重点 重点 6 2无条件传送方式及其接口 在CPU与慢速变化的设备交换数据时 可以认为它们总是处于 就绪 状态 随时可以进行数据传送 这就是无条件传送 或称立即传送 同步传送适合于简单设备 如LED数码管 按键或按纽等无条件传送的接口和操作均十分简单这种传送有前提 外设必须随时就绪 无条件传送流程 无条件传送 输入示例 MOVDX 160HINAL DX 无条件传送 输出示例 MOVDX 160HOUTDX AL 无条件传送综合应用 输入输出接口 next movdx 8000h DX指向数据端口inal dx 从输入端口读开关状态outdx al 送输出端口显示calldelay 调子程序延时jmpnext 重复 例 编程实现开关闭合时 相应LED点亮 并调用延时子程序DELAY保持一段时间 其中 输入输出共用8000H端口 第六章输入 输出及接口 重点 重点 6 3查询传送方式及其接口 程序查询方式 条件传送 基本原理CPU在执行程序时需要不断查询外部设备的状态 如果设备的数据传送没有准备好 CPU就反复查询 只有当设备就绪 READY CPU才能用I O指令传送一个数据 在输入场合 就绪 说明输入接口已准备好送往CPU的数据 正等着CPU来读取该状态也可用接口中数据缓冲器已 满 来描述在输出场合 就绪 说明输出接口已做好准备 等待接收CPU要输出的数据该状态也可用接口数据缓冲器已 空 或者用接口 外设 闲 或 不忙 NotBusy 来描述 就绪 满 空 闲 不忙 就绪 查询传送的两个环节 查询环节寻址状态口读取状态寄存器的标志位若不就绪就继续查询 直至就绪 传送环节寻址数据口输入 通过IN指令从数据端口读入数据输出 通过OUT指令向数据端口输出数据 查询传送流程 查询传送的两个环节 1 工作可靠 适用面宽 2 CPU主动的不断查询外设状态 数据的输入 输出都必须经过CPU 3 CPU与设备间是串行工作 所以CPU的使用效率低 4 对多个外设的情况 则CPU按一定顺序依次查询 轮询 先查询的外设将优先进行数据交换 5 适用于CPU负担不重 外设对象不多且任务简单的场合 程序查询方式的特点 如何应用 6 3 1查询输入接口 movdx 8000h DX指向状态端口status inal dx 读状态端口testal 01h 测试标志位D0jzstatus D0 0 未就绪 继续查询incdx D0 1 就绪 DX指向数据端口inal dx 从数据端口输入数据 例 编程实现查询输入 状态端口8000H 数据端口8001H 假设状态端口最低位表示设备就绪情况 1表示就绪 6 3 2查询输出接口 movdx 8000h DX指向状态端口status inal dx 读取状态端口的状态数据testal 80h 测试标志位D7jnzstatus D7 1 未就绪 继续查询incdx D7 0 就绪 DX指向数据端口moval buf 变量buf送ALoutdx al 将数据输出给数据端口 例 编程实现查询输出 状态端口8000H 数据端口8001H 假设状态端口最高位表示设备就绪情况 0表示就绪 课后延伸 思考 接口和端口的区别和联系 你所了解的接口电路有哪些 预习第6章第4 5节第十一次作业 P1526 16 2 查询方式的EEPROM编程 综合举例 movdx 8000hmovcx 100next moval 55h 写入内容 55Hmov bx al 写入存储单元nop 空操作指令 起延时作用nopnext1 inal dx 查询状态口testal 01h 测试D0jznext1 D0 0 芯片还在写入incbx D0 1 写毕 指针移动loopnext 循环至全部字节写完 例 编程实现在ROM中查询方式写入连续100字节数据 起始位置在BX中表达 状态端口8000H 假设状态端口最低位表示一次操作完成情况 1表示完成 第六章输入 输出及接口 重点 重点 6 4中断传送方式 一 基本概念1 什么叫程序中断在程序执行过程中 由于某个随机事件的请求 暂停现程序的执行 转去执行一段处理此随机事件的程序 处理完后又回到原程序继续执行 这一过程叫 程序中断 中断源 中断请求 当前程序 中断服务程序 程序断点 中断返回 中断响应 6 4 1中断传送与接口 5 CPU对请求的检测是有规律的 一般是在每条指令的最后一个时钟周期采样中断请求输入引脚 2 程序中断的特点 1 进行传送的中断服务程序是预先设计好的 且入口地址已知 2 当数据传送 准备好 时由设备主动向CPU提出中断请求 具有随机性 3 除中断服务程序的执行外 大部分时间CPU与设备是并行工作的 4 一般用于低速设备的数据传送 本课主要论述中断在输入和输出方面的应用 中断输入接口 A0 A15 6 4 2中断工作过程 中断请求 中断响应 关中断 断点保护 中断识别 现场保护 中断服务 恢复现场 开中断 中断返回 中断服务是进行数据交换的实质性环节 中断传送流程 中断源的识别 6 4 3中断源的识别 问题1 系统有多个中断请求 CPU如何识别中断源 解答1 向量中断 图6 12 解答2 中断查询 图6 14 中断查询接口 图6 14 中断优先权排队 6 4 3中断优先权 续1 问题2 有多个中断同时请求 CPU如何应对 解答1 链式优先权排队电路 图6 15 解答2 优先权编码电路 图6 16 链式中断优先权排队电路 图6 15 中断优先权编码电路 图6 16 中断嵌套 6 4 3中断优先权 续2 问题3 中断处理过程中 又有中断提出请求 怎么办 解答1 链式优先权排队电路 图6 15 解答2 优先权编码电路 图6 16 除了硬件上能够识别更高级中断请求外 软件上在中断服务程序中需要开放中断 才能实现中断嵌套 第六章输入 输出及接口 重点 重点 6 5DMA传送方式 希望克服程序控制传送的不足 外设 CPU 存储器外设 CPU 存储器直接存储器存取DMA 外设 存储器外设 存储器CPU释放总线 由DMA控制器管理 DMA传送的工作过程 CPU对DMA控制器进行初始化设置 外设 DMAC和CPU三者通过应答信号建立联系 CPU将总线交给DMAC控制 DMA传送DMA读存储器 存储器 外设DMA写存储器 存储器 外设 自动增减地址和计数 判断传送完成否 如完成归还总线给CPU DMA传送流程 流程 DMA传送流程 传送方式的比较 无条件传送 慢速外设需与CPU保持同步 查询传送 简单实用 效率较低 中断传送 外设主动 可与CPU并行工作 但每次传送需要大量额外时间开销 DMA传送 DMAC控制 外设直接和存储器进行数据传送 适合大量 快速数据传送 本章总结 1 了解I O接口电路的主要功能 内部和外部特点 端口编址方法 I O地址译码特点2 掌握输入输出指令3 掌握无条件 查询传送方式4 理解中断 中断源 中断工作过程 中断源识别 优先权排队和中断嵌套5 理解DMA传送的工作过程 课后延伸 1 计算机主机与I O设备间进行数据传送的方式主要包括以下五种 I O处理机 2 为了解决CPU与外部设备工作速度的不一致 在I O接口电路中 输入必须有 输出必须有 3 I O端口的编址方式有 和 8088对I O端口采用的是 编址方式 4 8086 8088进行外设访问的地址空间为 无条件传送 程序查询传送 中断传送 DMA传送 缓冲器 锁存器 独立编址 统一编址 独立 0000H FFFFH 课后延伸2 判断下列说法正误 1 DMA方式的I O操作与程序查询方式和中断控制方式相比 用硬件控制代替了软件控制 且无需经CPU传数 因此数据传送速度明显提高 2 若I O端口与主存单元统一用主存地址编址 那么在计算机的指令系统中可以不设专门的I O指令 3 所谓I O操作 是指CPU访问I O设备的操作 4 所有可编程I O接口芯片 在工作之前必须向它写入控制字和必要的参数 以便确定工作方式和其