微型计算机原理及应用课件第六章输入和输出第一讲

1、第六章 输入/输出与中断 6. 1 I/O接口概述接口概述 6. 2 I/O端口地址译码端口地址译码 6.3 基本的并行输入基本的并行输入/输出接口输出接口 6.4 I/O 6.5 中断方式中断方式 6.6 直接存储器存取直接存储器存取(DMA) 6.1 输入/输出接口概述 接口解决微处理器与外设之间的差异接口解决微处理器与外设之间的差异 外设种类多外设种类多 信号类型有机械的、物理的、电信号等信号类型有机械的、物理的、电信号等 信号形式有脉冲、模拟量或数字量信号形式有脉冲、模拟量或数字量 数据传输率不同数据传输率不同 数据格式不同数据格式不同 数据传输方式不同，有并行、串行之分数据传输方式不

2、同，有并行、串行之分 CPUCPU与外设都是面向接口而非直接联络与外设都是面向接口而非直接联络 u第第6 6章章 输入输入/ /输出技术输出技术 u图图6.1 典型典型I/O接口模型接口模型 数据信息、状态信息及控制信息数据信息、状态信息及控制信息 数据信息数据信息 数据信息：要交换的数据本身。数据信息：要交换的数据本身。 数字量：数字量：通常以通常以8 8位或位或1616位的二进制数以及位的二进制数以及ASCIIASCII码的形码的形 式传输，主要指由键盘、磁带机、磁盘等输入的信息或式传输，主要指由键盘、磁带机、磁盘等输入的信息或 主机送给打印机、显示器、绘图仪等的信息主机送给打印机、显示器

3、、绘图仪等的信息 开关量：开关量：用用“0 0”和和“1 1”来表示两种状态，如开关的通来表示两种状态，如开关的通 / /断断 模拟量：模拟量：模拟的电压、电流或者非电量。对模拟量输入模拟的电压、电流或者非电量。对模拟量输入 而言，需先经过传感器转换成电信号，再经而言，需先经过传感器转换成电信号，再经A/DA/D转换器变转换器变 成数字量；如果需要输出模拟控制量的话，就要进行上成数字量；如果需要输出模拟控制量的话，就要进行上 述过程的逆转换述过程的逆转换 数据传输方向数据传输方向：CPUCPU I/OI/O接口接口外设外设 控制信息控制信息 控制信息：控制外设工作的命令，控制信息：控制外设工作

4、的命令，CPUCPU 通过接口发出，如通过接口发出，如A/DA/D转换器的启转换器的启/ /停停 信号信号 数据传输方向：数据传输方向：CPUI/OCPUI/O接口接口处设处设 状态信息状态信息 状态信息：表征外设工作状态的信息状态信息：表征外设工作状态的信息 对输入接口对输入接口, , CPUCPU是否准备好接收数据，是否准备好接收数据，READY” READY” 准备好吗准备好吗? ? 对输出接口对输出接口, , 外设是否准备好接收数据，外设是否准备好接收数据， “BUSY” BUSY” 外设忙吗外设忙吗? ? 数据传输方向：数据传输方向：CPUI/OCPUI/O接口接口外设外设 I/OI

5、/O端口端口 传送这三种信息的接口电路中的寄存传送这三种信息的接口电路中的寄存 器称为数据、状态和控制端口器称为数据、状态和控制端口 不同的寄存器有不同的端口地址，即不同的寄存器有不同的端口地址，即 用地址访问用地址访问 端口由一个或多个寄存器组成端口由一个或多个寄存器组成 接口由若干个端口加上相应的控制逻接口由若干个端口加上相应的控制逻 辑组成辑组成 接口的基本功能接口的基本功能 数据缓冲功能数据缓冲功能 设备选择功能设备选择功能 信号转换功能信号转换功能 接收、解释并执行接收、解释并执行CPUCPU命令的功能命令的功能 中断管理功能中断管理功能 可编程功能可编程功能 接口电路的结构接口电路

6、的结构 数据数据 缓冲器缓冲器 状态状态 寄存器寄存器 控制控制 寄存器寄存器 接外设一侧接外设一侧 主主 机机 外外 设设 总线驱动总线驱动 地址译码地址译码 控制逻辑控制逻辑 接接CPU一侧一侧 DB AB CB 数据信息数据信息 控制信息控制信息 状态信息状态信息 端口端口 接口电路的分类 数据传送方式：数据传送方式： 并行接口并行接口 串行接口串行接口 功能选择的灵活性：功能选择的灵活性： 可编程接口可编程接口 不可编程接口不可编程接口 数据传送操作的同步方式：数据传送操作的同步方式： 同步接口同步接口 异步接口异步接口 通用性：通用性： 通用接口通用接口 专用接口专用接口 6.2 I

7、/O6.2 I/O端口的编址方式端口的编址方式 为了区分接口电路的各个寄存器，系为了区分接口电路的各个寄存器，系 统为它们各自分配了一个地址，称为统为它们各自分配了一个地址，称为 I/OI/O端口地址，以便对它们进行寻址并端口地址，以便对它们进行寻址并 与存储器地址相区别与存储器地址相区别 I/OI/O端口有两种编址方式：存储器映像端口有两种编址方式：存储器映像 方式、方式、I/OI/O独立编址方式独立编址方式 1 1、存储器映像编址、存储器映像编址 指指I/OI/O端口与存储器共享一个寻址空间，端口与存储器共享一个寻址空间， 又称为统一编址。在这种系统中，又称为统一编址。在这种系统中，CPU

8、CPU 可以用同样的指令对可以用同样的指令对I/OI/O端口和存储器端口和存储器 单元的进行访问。单元的进行访问。 优点：对优点：对I/OI/O口的访问灵活方便，有利口的访问灵活方便，有利 于提高端口数据的处理能力。于提高端口数据的处理能力。 缺点：缺点：I/OI/O端口占用了主存地址，相对端口占用了主存地址，相对 减少了主存的可用范围。减少了主存的可用范围。 2 2、I/OI/O独立编址（一）独立编址（一） 指主存地址空间和指主存地址空间和I/OI/O端口地址空间端口地址空间 相互独立，分别编址。相互独立，分别编址。CPUCPU通过指令通过指令 来区分是访问来区分是访问I/OI/O口还是存储

9、单元口还是存储单元 优点：主存和优点：主存和I/OI/O端口的地址可用范端口的地址可用范 围都比较大；围都比较大； 缺点：缺点：I/OI/O指令的功能一般比较弱，指令的功能一般比较弱， 在在I/OI/O操作中必须借助操作中必须借助CPUCPU的寄存器进的寄存器进 行中转行中转 2 2、I/OI/O独立编址（二）独立编址（二） 8080X86X86系列微处理器采用独立的系列微处理器采用独立的I/OI/O编编 址方式址方式 CPUCPU使用地址总线中的使用地址总线中的A0A0A15A15来寻址来寻址 I/OI/O口，故最大口，故最大I/OI/O空间是空间是6464K K个字节个字节 端口（或端口（

10、或3232K K个字端口）个字端口） 两种编址方式比较（一）两种编址方式比较（一） I/O 空空 间间 内内 存存 空空 间间 I/O 空空 间间 内内 存存 空空 间间 分别是分离分别是分离 编址？还统编址？还统 一编址？一编址？ 两种编址方式比较（二） 存储器CPU AB DB CB 接口 外设 接口 外设 CPU AB DB CB 存储器 存储器读写存储器读写 I/O读写 读写 6.3 I/O接口的访问控制 微机系统的每个端口都有惟一的端口地址微机系统的每个端口都有惟一的端口地址 端口地址：经译码电路译码后产生端口选端口地址：经译码电路译码后产生端口选 通信号，控制端口的读通信号，控制端

11、口的读/ /写操作写操作 I/OI/O端口的地址分配端口的地址分配 8080X86X86系列微处理器提供系列微处理器提供1616条地址线访问条地址线访问I/OI/O 端口端口, ,编址可达编址可达6464K K个字节端口或者个字节端口或者3232K K个字端个字端 口。口。 IBMIBM系列采用非完全译码方式，即只考虑了低系列采用非完全译码方式，即只考虑了低 1010位地址线位地址线A0-A9A0-A9，I/OI/O端口地址范围是端口地址范围是 00000000H-03FFHH-03FFH，总共只有总共只有10241024个字节端口个字节端口 8038680386微处理器或此后的微处理器构成的

12、微机微处理器或此后的微处理器构成的微机 系统，采用全译码的方法，端口为系统，采用全译码的方法，端口为6464K K个字节个字节 端口或端口或3232K K个字端口个字端口 I/O端口地址选用的原则端口地址选用的原则 自行设计接口电路或给微机系统添加接口自行设计接口电路或给微机系统添加接口 卡时，必须避免端口地址发生冲突卡时，必须避免端口地址发生冲突 申明保留的地址，不要使用申明保留的地址，不要使用 用户可使用用户可使用300300H-31FHH-31FH地址地址 I/OI/O端口的地址译码端口的地址译码 将来自地址总线上的地址代码翻译成为所需将来自地址总线上的地址代码翻译成为所需 要访问端口的

13、选通信号要访问端口的选通信号 I/O端口地址译码电路结构端口地址译码电路结构 译码电路的输入信号译码电路的输入信号 地址信号：由地址范围决定地址信号：由地址范围决定 控制信号：数据流向（读控制信号：数据流向（读/写）、数据宽度（写）、数据宽度（8位位/16 位）、是否采用奇位）、是否采用奇/偶地址和偶地址和DMA传送方式传送方式 译码电路的输出信号：接口芯片的片选信号译码电路的输出信号：接口芯片的片选信号 端口的读写控制：输入需要缓冲，输出需要锁端口的读写控制：输入需要缓冲，输出需要锁 存存 I/OI/O地址译码方法地址译码方法 地址译码的方法灵活多样地址译码的方法灵活多样 高位地址线与高位地

14、址线与CPUCPU的控制信号进行组合，经的控制信号进行组合，经 译码电路产生译码电路产生I/OI/O接口芯片的片选信号接口芯片的片选信号CSCS， 实现系统中的接口芯片寻址实现系统中的接口芯片寻址 低位地址线直接接到低位地址线直接接到I/OI/O接口芯片的地址引接口芯片的地址引 脚，进行脚，进行I/OI/O接口芯片的片内端口寻址接口芯片的片内端口寻址 6.5 I/O6.5 I/O接口的数据传输控制方式接口的数据传输控制方式 外设的速度与外设的速度与CPUCPU相比要慢好几个数量级，且不同相比要慢好几个数量级，且不同 外设之间的速度也相差很大，为了保证数据传输外设之间的速度也相差很大，为了保证数

15、据传输 的可靠性，的可靠性，CPUCPU一定要等外设准备就绪之后才能执一定要等外设准备就绪之后才能执 行输入行输入/ /输出操作，而外设就绪的时刻对输出操作，而外设就绪的时刻对CPUCPU而言而言 是随机的，因此需要同步。是随机的，因此需要同步。 三种三种I/OI/O同步控制方式：同步控制方式： 程序控制方式：无条件程序控制和程序查询程序控制方式：无条件程序控制和程序查询 中断控制方式中断控制方式 直接存储器存取方式，直接存储器存取方式，DMADMA方式方式 无条件程序控制方式（一）无条件程序控制方式（一） 最简单的最简单的I/OI/O控制方式，控制方式，CPUCPU可以随时根据可以随时根据

16、需要无条件地读写需要无条件地读写I/OI/O端口端口 外设要求：简单，数据变化缓慢，操作时外设要求：简单，数据变化缓慢，操作时 间固定，如一组开关或间固定，如一组开关或LEDLED显示管。外设被显示管。外设被 认为始终处于就绪状态认为始终处于就绪状态 接口特点接口特点 CPUCPU的的DBI/ODBI/O接口接口( (输出锁存器输出锁存器)外设外设 CPUCPU的的DBI/ODBI/O接口接口( (输入缓冲器输入缓冲器)外设外设 无条件程序控制方式（二）无条件程序控制方式（二） 数据输入数据输入 缓冲器端缓冲器端 口口 数据输出数据输出 锁存器端锁存器端 口口 输入数据输入数据 输出数据输出数

17、据 端口端口 译码译码 器器 RD AB DB WR M/IO 无条件程序控制方式（三）无条件程序控制方式（三） 例例 START: MOV DX，INPORT IN AL，DX；读入按键状态读入按键状态 TEST AL，01H；判断最低位按键判断最低位按键 JNZ K1；最低位按键没闭合，转最低位按键没闭合，转 MOV AL，01H；最低位发光最低位发光 JMPDISP K1：TEST AL，02H； JNZ K2；次低位按键没闭合，转次低位按键没闭合，转 MOV AL，03H；最低最低2位发光位发光 JMPDISP . 程序查询输入方式程序查询输入方式( (条件传送方式条件传送方式 ) )

18、 u接口特点：避免了对端口的接口特点：避免了对端口的“盲读盲读”、“盲写盲写” ，数据传送的可靠性高，并且硬件接口相对简单。，数据传送的可靠性高，并且硬件接口相对简单。 缺点是缺点是CPUCPU工作效率低，工作效率低，I/OI/O响应速度慢；响应速度慢； u外设要求：状态口和数据口外设要求：状态口和数据口 u在有多个外设的系统中，在有多个外设的系统中，CPUCPU的查询顺序由外设的查询顺序由外设 的优先级确定的优先级确定 u一种一种CPUCPU主动、外设被动的主动、外设被动的I/OI/O操作方式，很好操作方式，很好 地解决了地解决了CPUCPU与外设之间的同步问题与外设之间的同步问题 查询控制

19、的程序流程 READY? 读取状态端口读取状态端口 读读/写数据端口写数据端口 状态端口复位状态端口复位 程序查询方式的输入接口电路 数据缓冲器数据缓冲器 (输入端口输入端口) 状态缓冲器状态缓冲器 （输入端口）（输入端口） 输输 入入 设设 备备 数据端口读选通数据端口读选通 状态端口读选通状态端口读选通 DB(数据、状态数据、状态) 锁锁 存存 器器 输入数据输入数据 输入选通输入选通 R Q D 5V READY D0 READY? 输入状态信息输入状态信息 输入数据信息输入数据信息 查询输入程序 查询方式的A/D采样 WAIT：IN AL，51H；读状态端口的值读状态端口的值 TEST

20、 AL，10H；判断判断D4是否为是否为1？ JZ WAIT；不是不是1，等待，等待 IN AL，50H；读数据端口的值读数据端口的值 MOV BUF，AL；将数据送到数据缓冲单元将数据送到数据缓冲单元 程序查询输出方式 输出选通输出选通 数据锁存器数据锁存器 （输出端口）（输出端口） 状态缓冲器状态缓冲器 ( (输入端口输入端口) ) 输输 出出 设设 备备 R R Q Q D D5 5V V DBDB（数据、状态）数据、状态） BUSY(1bit)BUSY(1bit) ACKACK 状态端口读选通状态端口读选通 数据端口写选通数据端口写选通 输入状态信息输入状态信息 BUSY? 输出数据信

21、息输出数据信息 查询输出程序 查询方式的打印机接口 数据数据 端口端口 状态状态 端口端口 数据缓数据缓 冲器冲器 状态状态 检测检测 打印机打印机 译码译码 电路电路 触发信号触发信号 状态信号状态信号 D2 数据总线数据总线 地址总线地址总线 控制总线控制总线 信号信号 78H 7AH 接口电路接口电路 多个外设的查询 CPU周期性地依次查询每个外设的状态周期性地依次查询每个外设的状态 优先权决定了查询次序优先权决定了查询次序 不具有实时性不具有实时性 微型计算机原理及应用课件第六章输微型计算机原理及应用课件第六章输 入和输出第一讲入和输出第一讲 35 u图图6.17 6.17 用查询方式

22、实现用查询方式实现I/OI/O传送的示例传送的示例 u(a) 外设与微机接口电路；外设与微机接口电路；(b) 外设工作时序外设工作时序 微型计算机原理及应用课件第六章输微型计算机原理及应用课件第六章输 入和输出第一讲入和输出第一讲 36 u第第6 6章章 输入输入/ /输出技术输出技术 u图图6.18 几种轮询控制流程几种轮询控制流程 中断控制方式 u接口特点：避免了接口特点：避免了CPU CPU 反复低效率的查询，适用反复低效率的查询，适用 于于CPUCPU任务繁忙、而数据传送不太频繁的系统中。缺任务繁忙、而数据传送不太频繁的系统中。缺 点是硬件电路和处理过程都比较复杂点是硬件电路和处理过程

23、都比较复杂; ;（中断控制芯（中断控制芯 片）片） uCPUCPU被动而外设主动的被动而外设主动的I/OI/O操作方式，较大地提高操作方式，较大地提高 了了CPUCPU的工作效率，并使系统具有了实时处理功能的工作效率，并使系统具有了实时处理功能 中断控制方式 中断请求触中断请求触 发器发器 Q R D 数据缓冲数据缓冲 端口译码端口译码 端口译码端口译码控制端口控制端口 中断屏蔽触发中断屏蔽触发 器器 QD +5V WR 外外 设设 READY DB AB DB INTR INTA 中断可被响应的条件：中断可被响应的条件： 中断请求触发器置位；中断屏蔽触发器清零；中断请求触发器置位；中断屏蔽触

24、发器清零； CPU内部开放中断；内部开放中断；CPU未处理更高级中断；未处理更高级中断； CPU现行指令执行完现行指令执行完 中断工作过程 外设需要外设需要CPU服务时服务时 外设外设I/O接口接口向向CPU发中断请求，发中断请求，INTR=H(中中 断请求有效断请求有效) CPU执行完当前指令后执行完当前指令后, (注注: 若若IF = 1) CPU I/O接口接口 外设发中断响应，外设发中断响应，/INTA = L CPU执行中断服务程序执行中断服务程序, CPUI/O接口接口外设读写数据外设读写数据 DMA控制方式(存储器直接存取) 内存与外设间有大量数据交换时，采用中断内存与外设间有大

25、量数据交换时，采用中断 方式，每传送一次数据，就必须经历中断处方式，每传送一次数据，就必须经历中断处 理的全部步骤，而且一般需要借助理的全部步骤，而且一般需要借助CPUCPU内部内部 的寄存器作为中介的寄存器作为中介 DMADMA方式：不用方式：不用CPUCPU的寄存器作传数中介的寄存器作传数中介, , 完完 成存储器和外设间的直接传数，成存储器和外设间的直接传数，CPUCPU必须将必须将 系统总线的控制权让给系统总线的控制权让给DMAC DMAC DMA方式原理方框图 DB HOLD CPU HLDA AB DMAC MEM I/O 请求 响应 DMA的工作流程 DMAC发存储器地址发存储器

26、地址 在总线上传送数据在总线上传送数据 传送结束？传送结束？ 修改地址指针修改地址指针 DMA结束，交还总线权结束，交还总线权 CPU允许释放总线，向允许释放总线，向DMAC发出总线应答信号发出总线应答信号HLDA DMAC向向CPU发总线申请发总线申请HOLD Y N 能实现上述操作的DMA控制器的硬件方框图下 如图所示。 随着大规模集成电 路技术的发展， DMA传送已不局限 于存储器与外设间 的信息交换，而可 以扩展为在存储器 的两个区域之间， 或两种高速外设之 间进行DMA传送， 如右图所示。 DMADMA的三种传输方式的三种传输方式: : 连续传送（块传送）连续传送（块传送） DMACDMAC申请到总线后，将一块数据传送完后才释放总线，申请到总线后，将一块数据传送完后才释