数字量输入输出控制方式

1、数字量的输入输出控制方式数字量的输入输出控制方式 一、典型的数字量输入一、典型的数字量输入/ /输出接口电路输出接口电路 二、二、CPUCPU对数字量输入对数字量输入/ /输出的控制方式输出的控制方式第一节第一节 概述概述 I/O信号的形式信号的形式一一 数据信息数据信息1. 数字量数字量二进制形式的数据，或是已经过编码的二进制形式的数据。二进制形式的数据，或是已经过编码的二进制形式的数据。最小单位为最小单位为“位位”(bit)，8位称为一个字节位称为一个字节(BYTE)。2. 模拟量模拟量模拟量信号不能直接进入计算机，必须经过模拟量信号不能直接进入计算机，必须经过A/D(模拟模拟/数字数字)

2、转换器，把模拟量转换成数字量，才能输入计算机。当外部转换器，把模拟量转换成数字量，才能输入计算机。当外部设备需要模拟量信号控制时，设备需要模拟量信号控制时，D/A(数字数字/模拟模拟)转换器又能把转换器又能把数字量转换成模拟量信号。数字量转换成模拟量信号。3.开关量开关量开关量信号只有两种状态，即开关量信号只有两种状态，即“开开”或或“闭闭”。这样，只要用一位。这样，只要用一位二进制数就可表示。二进制数就可表示。二二 状态信息状态信息 反应当前外设的工作状态，是外设通过接口往反应当前外设的工作状态，是外设通过接口往CPU传送的。传送的。三三 控制信息控制信息 是是CPU通过接口传送给外设的，通

3、过接口传送给外设的，CPU通过发送控制信息通过发送控制信息 控制外设的工作。控制外设的工作。 I/O接口接口在计算机中，介于在计算机中，介于CPU与外设间，实现硬件连接和软件通讯与外设间，实现硬件连接和软件通讯的装置。的装置。一、一、 I/O接口的作用接口的作用对信息的传输形式进行变换。（模数转换和数模转换）对信息的传输形式进行变换。（模数转换和数模转换） 电平转换和放大电平转换和放大 I/O定向定向 串并转换及并串转换串并转换及并串转换 锁存和缓冲锁存和缓冲二、二、 I/O接口的构成接口的构成CPU译译码码数据端口数据端口状态端口状态端口控制端口控制端口I/O设备设备DBABCB(1) I/

4、O端口端口概念：概念：CPU与外设进行数据传输时，各类信息在接口进入不同与外设进行数据传输时，各类信息在接口进入不同的寄存器，一般称这些寄存器为的寄存器，一般称这些寄存器为I/O端口。端口。分类：数据端口，状态端口，控制端口。分类：数据端口，状态端口，控制端口。CPU数据数据状态状态控制控制外设外设(2) I/O端口的编址方式端口的编址方式 存储器映射方式存储器映射方式(统一编址方式统一编址方式) 优点：使用优点：使用MEM操作指令，不需专用的操作指令，不需专用的I/O指令，指令丰富，使指令，指令丰富，使I/O 功能更加灵活。功能更加灵活。 缺点：缺点：MEM容量减小，容量减小，MEM指令长度

5、一般比专用指令长度一般比专用I/O指令长。指令长。 I/O映射方式映射方式(独立编址方式独立编址方式) 缺点：访问缺点：访问I/O需要专门的需要专门的I/O指令，指令少，访问不灵活。指令，指令少，访问不灵活。 优点：不需要占用存储器空间，指令长度短，执行速度快。优点：不需要占用存储器空间，指令长度短，执行速度快。一一.直接传送方式直接传送方式 适用于总是处于准备适用于总是处于准备 好状态的外设好状态的外设 优点：软件及接口硬件优点：软件及接口硬件 简单简单 缺点：只适用于简单缺点：只适用于简单 外设，适应范围较窄外设，适应范围较窄 I/O的控制方式的控制方式二二. 查询传送方式查询传送方式(1

6、) 概念概念(2) 三环节三环节CPU从接口中从接口中 读取状态字读取状态字 CPU检测状态字检测状态字如果外设处于就绪如果外设处于就绪 状态，传送数据状态，传送数据查询式输入的接口电路查询式输入的接口电路 数字量的输入输出控制方式数字量的输入输出控制方式一、典型的数字量输入一、典型的数字量输入/ /输出接口电路输出接口电路 外部设备与外部设备与CPUCPU交换信息必须通过输入交换信息必须通过输入/ /输出接口电路。输入输出接口电路。输入/ /输出的信息有输出的信息有数据、数据、状态和控制状态和控制三类不同的信息，为了区别不三类不同的信息，为了区别不同类型的信息需设置不同的端口。同类型的信息需

7、设置不同的端口。 因此一个典型的数字量输入因此一个典型的数字量输入/ /输出接口电输出接口电路必须包括路必须包括数据端口、状态端口和控制端数据端口、状态端口和控制端口口, ,如图如图2-272-27所示。所示。 数字量的输入输出控制方式数字量的输入输出控制方式数据状态控制DBABCB译码器CPU数据端口状态端口控制端口输入/输出 设备图图2-27 2-27 典型的数字量输入典型的数字量输入/ /输出接口电路输出接口电路选通不同端口选通不同端口选择某个外设选择某个外设决定信息读写决定信息读写 数字量的输入输出控制方式数字量的输入输出控制方式二、二、CPUCPU对数字量输入对数字量输入/ /输出的

8、控制方式输出的控制方式 同步传递方式、查询传递方式、中断控制方式和同步传递方式、查询传递方式、中断控制方式和直接存储器访问方式直接存储器访问方式（1 1）同步传递方式（无条件程序控制方式）同步传递方式（无条件程序控制方式） 这种控制方式这种控制方式只适合于只适合于CPUCPU与比较简单而且其数与比较简单而且其数据状态变化速度缓慢或变化速度是固定的外设交据状态变化速度缓慢或变化速度是固定的外设交换信息时采用。换信息时采用。如：如：7 7段码显示、开关、隔离开段码显示、开关、隔离开关、断路器、继电器、发光二极管等。关、断路器、继电器、发光二极管等。 CPUCPU与外设传送数据时必须保证同步，即执行

9、输与外设传送数据时必须保证同步，即执行输入命令时，外设一定是准备好的，执行输出操作入命令时，外设一定是准备好的，执行输出操作时，外设一定是空的。时，外设一定是空的。 数字量的输入输出控制方式数字量的输入输出控制方式图图2-28 2-28 同步传递输入方式同步传递输入方式来自CPUWDport2 地址总线数据总线 数据到外设CE锁存器 地址译码器图图2-29 2-29 同步传递输出方式同步传递输出方式问题：问题：什么是缓冲器？什么是锁存器，二者有何什么是缓冲器？什么是锁存器，二者有何 区别？区别？ 地址译码器三态缓冲器 数据来自外设数据总线地址总线port1 RDCPU0 00 00 0 数字量

10、的输入输出控制方式数字量的输入输出控制方式（2 2）查询传递方式（条件传递方式）查询传递方式（条件传递方式） 一些数据变化不规则的外设，如果传送数据时，一些数据变化不规则的外设，如果传送数据时，CPUCPU不与外设同步，则传送数据便要出错，为此不与外设同步，则传送数据便要出错，为此采用查询传送方式。查询传送方式能使采用查询传送方式。查询传送方式能使CPUCPU能与能与各种速度的外设配合工作。各种速度的外设配合工作。 查询的优点：在简化硬件接口的情况下，传送查询的优点：在简化硬件接口的情况下，传送数据更加准确，控制程序容易编制。数据更加准确，控制程序容易编制。 缺点：缺点：CPUCPU需要不断的

11、查询外设的状态，占用了需要不断的查询外设的状态，占用了CPU CPU 的工作空间。的工作空间。 适用于适用于CPUCPU与单个或较少外设交换信息。与单个或较少外设交换信息。 数字量的输入输出控制方式数字量的输入输出控制方式三态缓冲器1 输入设备 三态缓冲器2 地址译码 RDRDport1 port2 CPU之数据总线DB DB0 地址总线 AB 图图2-30 2-30 查询式输入接口电路查询式输入接口电路图图2-312-31查询式输入程序流图查询式输入程序流图输入状态信息准备好？输入数据D0状态端口port2 状态端口port1 ready 8位数据ready=1，外设准备好 ATEST 数字

12、量的输入输出控制方式数字量的输入输出控制方式图图2-32 2-32 查询式输出接口电路查询式输出接口电路busy=1，外设忙 busy=0,外设已空输出数据读状态端口busy D0D7 busy？ 准备输出数据AWAIT PO 图图2-33 2-33 查询式输出程序流图查询式输出程序流图去地址总线DB0DB 输出设备 锁存器 数据总线WDoutport inport RD译码器 地址总线 AB 三态缓冲器 数据busy 数字量的输入输出控制方式数字量的输入输出控制方式（3 3）中断控制方式）中断控制方式 能提高能提高CPUCPU工作效率和及时处理外设的请求，工作效率和及时处理外设的请求，可与多

13、个外设同时工作。可与多个外设同时工作。 中断：指中断：指CPUCPU暂时中止其正在执行的程序，暂时中止其正在执行的程序，转至执行请求中断的某个外部设备或事件转至执行请求中断的某个外部设备或事件的服务、程序，待处理完毕后再返回原来的服务、程序，待处理完毕后再返回原来中止的程序顺序进行（程序在执行过程中中止的程序顺序进行（程序在执行过程中由于外界的原因而中间打断的情况）称中由于外界的原因而中间打断的情况）称中断。断。 数字量的输入输出控制方式数字量的输入输出控制方式 当当CPUCPU需要与外设交换信息时，需要与外设交换信息时，若外设要输入若外设要输入CPUCPU的数据已准备好，的数据已准备好，存放

14、于寄存器中，或在输出时，存放于寄存器中，或在输出时，若外设已把数据取走，即输出寄若外设已把数据取走，即输出寄存器已空，则由外设向存器已空，则由外设向CPUCPU发出中发出中断请求，断请求，CPUCPU接到外设的申请后，接到外设的申请后，若没有更重要的处理，若没有更重要的处理，CPUCPU就暂停就暂停当前执行的程序（即实现中断），当前执行的程序（即实现中断），转去执行输入或输出操作（称中转去执行输入或输出操作（称中断服务），待输入或输出操作完断服务），待输入或输出操作完成后即返回，成后即返回，CPUCPU再继续执行原来再继续执行原来的程序。的程序。现行程序现行程序中断服务中断服务程序程序继续执行

15、继续执行中断示意图中断示意图 数字量的输入输出控制方式数字量的输入输出控制方式（4 4）直接存储器访问方式）直接存储器访问方式 外设与内存之间，外设与外设之间进行数外设与内存之间，外设与外设之间进行数据传送时，要经过据传送时，要经过CPUCPU中转，这对高速外设中转，这对高速外设（如磁盘）在进行大批量数据传送时，会（如磁盘）在进行大批量数据传送时，会造成中断次数过于频繁，这不仅影响速度造成中断次数过于频繁，这不仅影响速度而且耗费大量而且耗费大量CPUCPU的时间，故采用直接存储的时间，故采用直接存储器访问方式。器访问方式。 由由DMADMA来实现内存与外设，或外设与外设之来实现内存与外设，或外

16、设与外设之间的直接快速传送，减轻了间的直接快速传送，减轻了CPUCPU的负担。的负担。 数字量的输入输出控制方式数字量的输入输出控制方式 上述的四种控制方式在一个微机系统中上述的四种控制方式在一个微机系统中可能全被选用在不同的信息传送过程中，可能全被选用在不同的信息传送过程中，也可能只选用其中的二、三种。这需根据也可能只选用其中的二、三种。这需根据不同的硬件结构及接口功能来选择，应具不同的硬件结构及接口功能来选择，应具体问题具体分析。体问题具体分析。CPU对输入对输入/输出数据的控制方式输出数据的控制方式1、同步传送方式、同步传送方式指指CPU在在需要需要和数据端口进行传送时和数据端口进行传送

17、时,直接对其执行直接对其执行I/O指令指令(先要确保外设准备好否则传送失败先要确保外设准备好否则传送失败).2、查询传送方式、查询传送方式传送前传送前,先查询外设状态先查询外设状态,准备好才传送准备好才传送,否则否则CPU处于等待状态处于等待状态.3、中断传送方式、中断传送方式外设与外设与CPU处于并行工作处于并行工作,一旦外设准备好一旦外设准备好,外设向外设向CPU发中断发中断申请申请,条件具备条件具备,CPU暂停原程序执行暂停原程序执行,响应中断响应中断,外设与外设与CPU串行串行工作工作.4、DMA传送方式传送方式CPU不干予不干予,由硬件实现由硬件实现存储器与外设之间存储器与外设之间交

18、交换数据换数据,称直接存取存储器称直接存取存储器.1、直接传送方式、直接传送方式例如用输出接口驱动发光二极管例如用输出接口驱动发光二极管LED:输出输出“0”LED熄灭熄灭;输出输出“1”LED发光发光.以上传送过程以上传送过程没有不协调的可能没有不协调的可能,所以也称为同步传送或无条所以也称为同步传送或无条件传送件传送.MOVDX,219HOUTDX,AL2、查询传送方式、查询传送方式实现方法实现方法:在在CPU要与外设交换数据时要与外设交换数据时,先查询外设先查询外设(I/O端口端口)的状态的状态.对于输入设备对于输入设备,当外设准备好当外设准备好,或者对于输或者对于输出设备出设备,当外设

19、空闲时当外设空闲时,CPU才从外设输入数据或者向外才从外设输入数据或者向外设输出数据设输出数据.如果外设未准备好或正忙如果外设未准备好或正忙,CPU要继续查询要继续查询等待或者隔一段时间后再来查询等待或者隔一段时间后再来查询.如此反复进行如此反复进行,直至能直至能够传送数据够传送数据.特点特点:(1)CPU通过不断查询外设状态通过不断查询外设状态,实现与外设的速度匹配实现与外设的速度匹配(2)CPU的工作效率低的工作效率低.实现方法实现方法:当某个外设需与当某个外设需与CPU交换数据并已做好了准交换数据并已做好了准备时备时,就通过硬件电路向就通过硬件电路向CPU发出可屏蔽中断申请发出可屏蔽中断

20、申请,在在CPU允许中断的情况下允许中断的情况下(IF=1),CPU在执行完当前指令在执行完当前指令后后,可立即响应外设的中断请求可立即响应外设的中断请求,进行一次数据交换进行一次数据交换.然后然后,又返回原来的程序又返回原来的程序,去执行断点处的下一条指令去执行断点处的下一条指令. 特点特点:(1)中断方式传送是由中断方式传送是由I/O设备主动请求发起的设备主动请求发起的,免除了免除了CPU重复的查询工作重复的查询工作,提高了效率提高了效率,CPU对对I/O设备的请求设备的请求也响应较快也响应较快,因此中断方式得到广泛的应用因此中断方式得到广泛的应用.(2)响应过程将花费响应过程将花费CPU

21、时间时间,影响程序运行速度影响程序运行速度.响应后响应后数据的传送还是依靠数据的传送还是依靠CPU执行中断服务程序来完成执行中断服务程序来完成,其其速度仍受到软件的限制速度仍受到软件的限制. 3、中断传送方式、中断传送方式4、DMA传送方式传送方式现代的输入、输出设备有些速度很快现代的输入、输出设备有些速度很快,有很高的数据传有很高的数据传输率输率,例如例如10倍速光驱的数据倍速光驱的数据传输率就达传输率就达1.5MB/S,1G以以上硬盘上硬盘,数据传输率超过数据传输率超过16MB/S.CPU无论用无论用查询方式或查询方式或是中断方式都不能充分发挥这些外设速度特点是中断方式都不能充分发挥这些外设速度特点,因为因为CPU执行指令花费的时间太长执行指令花费的时间太长.于是就提出了在内存和于是就提出了在内存和外设间直接传送数据的方式外设间直接传送数据的方式DMA方式方式. DMA方式是在方式是在DMA控制器的控制下控制器的控制