微机原理与接口技术 南京信息工程大学第6章-输入输出技术

1、NUIST第第6 6章章 输入输出接口技术输入输出接口技术NUIST第第6 6章章 输入输出接口技术输入输出接口技术36.1 I/O6.1 I/O接口概述接口概述微型计算机系统CPU子系统存储器子系统I/O子系统信息处理与控制信息存储主机与CPU进行数据交换46.1 I/O6.1 I/O接口概述接口概述控制总线数据总线地址总线数字示波器数字示波器数字万用表数字万用表函数发生器函数发生器终端终端调制解调器调制解调器TTYTTY电传机电传机A/DA/D转换器转换器开关量输入开关量输入D/AD/A转换器转换器开关量输出开关量输出键盘键盘数字化仪数字化仪光笔光笔图形输入设备图形输入设备音频输入设备音频

2、输入设备扫描仪扫描仪视频输入设备视频输入设备点阵打印机点阵打印机激光打印机激光打印机喷墨打印机喷墨打印机X-YX-Y记录仪记录仪CRTCRT显示器显示器液晶显示器液晶显示器绘图仪绘图仪硬盘硬盘光盘光盘软驱软驱U U盘盘CPUCPU内存接口内存智能仪器接口智能仪器接口通信接口通信接口过程控制接口过程控制接口输入接口输入接口输出接口输出接口外存接口外存接口微机系统接口框图： 能不能直接将外设直接挂接到系统总线上呢？由接口挂接I/O设备与CPU，有两个侧面，一个面向CPU，一个面向外设56.1 I/O6.1 I/O接口概述接口概述CPU和I/O设备之间的信号种类数字量：由键盘、磁盘等输入的信息，或是

3、主机从给打印机、磁盘、显示器的信息，通常以二进制形式的数据或ASCII码表示的数据及字符。模拟量：如果一个微机系统是用于控制的，则多数情况下的输入信息是连续变化的模拟量，如温、压力、流量等。这些信息需要经过A/D转换才能输入计算机处理；相反计算机输出的数字量要经过D/A转换，变成模拟量才能控制现场设备。开关量：通常表示两个状态，如开关的闭合、电机的运转和停止等，这些量用1位二进制表示即可。66.1 I/O6.1 I/O接口概述接口概述计算机与外设之间信息交换存在的问题信息传输速度不匹配信号电平不匹配信号格式不匹配信号时序不匹配76.1 I/O6.1 I/O接口概述接口概述CPU数字量快信息类型

4、工作速度通信方式并行外设模拟量数字量慢串行并行接口模/数转换(A/D)数/模转换(D/A)三态缓冲、锁存解决传送方式串/并转换并/串转换三态缓冲、锁存计算机与外设之间信息交换存在的问题86.1 I/O6.1 I/O接口概述接口概述v 地址识别，即译码功能v 提供主机和I/O设备的缓冲、暂存、驱动功能v 主机和外设之间的数据转换v 主机和外设之间的电气兼容v 主机和外设之间数据的模数、数模转换v 主机和外设之间不同连接方式的实现I/O接口的功能基本功能信号的形式和数据格式进行变换与CPU与I/O设备之间进行联络96.1 I/O6.1 I/O接口概述接口概述 微机原理与接口技术中的接口技术指什么？

5、计算机中完成输入/输出(I/O)操作的部件称为I/O系统包括：I/O软件I/O硬件两者的综合设计称为I/O接口技术通过本章及913章的学习会有更深刻的体会10NUIST第第6 6章章 输入输出接口技术输入输出接口技术116.2 I/O6.2 I/O端口及其编址方法端口及其编址方法I/O端口1 1I/O端口的编址方法2 2126.2.1 I/O6.2.1 I/O端口端口接口功能的实现交换各种信息 为了完成CPU与外设之间的信息交换，通常在接口部件中要传送三种信息：数据信息、状态信息、控制信息。 这三种信息都通过接口电路传送，分别送入不同的寄存器，这些寄存器和它们的逻辑控制电路统称为I/O端口。

6、传送这三类信息的端口分别叫做：数据端口、状态端口、控制(命令)端口。136.2.1 I/O6.2.1 I/O端口端口数据端口 存放外设与CPU之间交换的数据，是主机与外设之间交换的最基本信息，主要起数据缓冲作用。端口包括缓冲器、锁存器状态端口反映外设的状态 反映外设的工作状态。通过接口向CPU传送，用READY信号表示设备是否准备就绪；用BUSY表示输出设备是否可以接受数据。命令端口存放CPU发出的命令字 CPU通过接口传送给外设的，CPU通过控制信息控制外设的工作。如控制外设的启动和停止等。146.2.1 I/O6.2.1 I/O端口端口外部输入或输出设备数据输入寄存器（数据端口）数据输出寄

7、存器（数据端口）状态寄存器（状态端口）控制寄存器（命令端口）接口接CPU的DB接CPU的AB数据线状态线控制线接CPU的CB主机与外设连接示意图156.2.1 I/O6.2.1 I/O端口端口 从含义上讲，这三种端口存放的信息各不相同，应该分别传送，但微机系统只有IN和OUT指令，所以把状态信息和控制信息也看成是一种广义的数据信息。状态信息是输入数据、控制信息是输出数据。CPU在与接口的信息交换中，根据不同的地址来区分。所以端口必须编址才能进行读写操作！166.2 I/O6.2 I/O端口及其编址方法端口及其编址方法I/O端口1 1I/O端口的编址方法2 217I/OI/O端口端口的编址方法的

8、编址方法 主机在进行I/O操作时需要区分不同的端口，因此需要给每个端口分配一个地址。存储器统一编址 与存储器统一编址就是把一个端口当成一个存储器单元对待，主机访问端口与访问存储器完全一样。如MOV PORT1, BL； 0 PORT1n1把BL的内容送到地址为PORT1的端口。I/O端口存储器0n1nm1MOV PORT2, BL； n PORT2m1把BL的内容送到地址为PORT2的存储单元。18I/OI/O端口端口的编址方法的编址方法端口独立编址 把I/O端口看成是独立于存储器的I/O空间。I/O端口的地址可以与存储器相同。I/O端口存储器0n-10m-1n-1地址重叠 靠指令区分对存储器

9、操作还是I/O端口操作。MOV 0, AL把AL的内容送到地址为DS:0的存储单元。IN 0, AL把AL的内容送到地址为0的端口。19编址方法对比编址方法对比存储器统一编址v 优点 简化了指令系统的设计 对端口的操作更灵活v 缺点 I/O端口占用存储单元的地址空间 端口独立编址v 优点 I/O和访问存储器的指令分开，程序可读性好 I/O指令短，执行速度快 I/O端口不要占用内存空间 I/O译码电路简单v 缺点 需要专门的I/O指令和控制信号20I/OI/O端口端口的编址方法的编址方法A19-A0A15-A0MEMR、MEMWIOR、IOW 、AEN存储器输入/输出8086总线 8086是哪一

10、种编址方式？存储器统一编址或端口独立编址？ 第三章指令系统中介绍过IN和OUT指令，用于端口的数据传送，采用端口独立编址方式。 21I/OI/O端口端口的编址方法的编址方法8086/8088系统地址空间划分*10001*10000*0FFFF*0FFFE*00101*00100*000FE*00001*FFFFF*FFFFE*00000存储单元存储器地址*FFFF*FFFE*0101*0100*00FF*00FE*0001*0000备注端口端口地址1M64K可直接寻址必须DX间接寻址22累加器专用传送指令累加器专用传送指令 IN指令 从I/O端口输入数据至AL或AX 指令格式含义IN AL，p

11、ort(AL)(port端口)IN AX，port(AL) (port端口),(AH)(port+1端口)IN AL，DX(AL)(DX)端口)IN AX，DX(AL)(DX)端口),(AH)(DX)+1端口)23若(28H端口)=1010 1111B,执行 IN AL，28H 后 (AL) = (28H端口) = 0AFH若(28H端口)=1010 1111B,(29H端口)= 0101 0000B执行 IN AX，28H 后(AL) = (28H端口) = 0AFH(AH) = (29H端口) = 50H若(300H端口)=69H,执行 (AL) = (300H端口) = 69HMOV D

12、X, 300H 后IN AL，DX累加器专用传送指令累加器专用传送指令 2425累加器专用传送指令累加器专用传送指令OUT 指令 将AL或AX中的内容传送到一个输出端口 指令格式含义OUT port，AL(AL) (port端口)OUT port，AX(AL)(port 端口),(AH)(port +1端口)OUT DX，AL(AL)(DX)端口)OUT DX，AX(AL)(DX)端口,(AH)(DX)+1端口)若端口地址超过255时，则必须用DX保存端口地址，这样用DX作端口寻址最多可寻找64K个端口。 26若(AL)=1100 1100B,执行 OUT 21H，AL 后 (21H端口) =

13、 (AL) = 0CCH若(AL)=1010 0110B,执行(21BH端口)= (AL) = 0A6H累加器专用传送指令累加器专用传送指令MOV DX, 21BH 后OUT DX，AL2728课堂练习课堂练习A 当8086执行OUT DX, AL指令时，DX寄存器的值输出到 。A. 地址总线 B. 数据总线 C. 控制总线 D. 控制字寄存器 B 当8086执行OUT DX,AL指令时，以下无效的引脚信号是 。A. M/IO B. RD C. WR D. DEN 29NUIST第第6 6章章 输入输出接口技术输入输出接口技术30补充知识补充知识简单的简单的I/O接口芯片接口芯片缓冲器74LS

14、2441 1缓冲器74LS2452 2锁存器74LS3733 33174LS24474LS244单向的8路数据缓冲器，数据只能从A端到Y端1G=0, 1Ai1Yi2G=0, 2Ai2Yi1A12Y41A22Y31A32Y21A42Y12G1G1Y12A41Y22A31Y32A21Y42A174LS2442345678918171615141312111193274LS24574LS245G:低电平有效的门控输入端DIR:方向控制端，1:AB,0:BA双向的8路数据缓冲器A0A1A2A3A4A5A6A7GDIRB0B1B2B3B4B5B6B774LS24523456789181716151413

15、12111193374LS37374LS373 锁存器具有暂存数据的能力，能在数据传输过程中将数据锁存住，在此后的任何时间，在输出信号的作用下将数据传输出去。74LS373有两个控制输入端：输入使能端G输出允许端OEOEGDQ0111010000X锁存1XX高阻D0D1D2D3D4D5D6D7OEGQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q774LS737347813141718256912151619111346.3 6.3 输入输入/ /输出方式及其接口输出方式及其接口程序控制传输方式1 1中断传输方式2 2DMA方式3 34种I/O方式的比较4 435程序控制传输方式程序控制传输方式 主机直接通过I

16、/O指令对I/O接口进行操作访问，主机与外设交换信息的每个过程均在程序中表示出来。无条件传输方式(同步方式) 当确信外设总是处于准备好或空闲状态，即外设与主机同步，则主机无需询问接口的状态，可以直接由I/O指令访问相应的I/O端口，输入或输出数据。36程序控制传输方式程序控制传输方式来自输入设备的数据三态缓冲器(8)数据总线地址译码地址总线M/IORD输入过程执行指令IN AL, 34H; （34H）=12H00112H34H在输入数据时，不允许多个外设同时把数据送到数据总线上，以免引起总线竞争而毁坏总线，为此必须在输入寄存器和数据总线之间放一个缓冲器，只有CPU发出的选通命令到达时，特定的输

17、入缓冲器才被选通，外设送来的数据才抵达数据总线。37程序控制传输方式程序控制传输方式到输出外设锁存器(8)数据总线地址译码地址总线M/IOWR输出过程执行指令OUT 34H，AL; (AL)=12H00112H34H12H当快速的CPU要将数据传送到慢速外设时，事先可把数据送到锁存器中锁住，等外设做好接收数据的准备工作后，再把数据取走。38课堂练习课堂练习C 在I/O设备的接口电路中，常用器件 解决与数据总线的隔离问题A. 译码器B. 触发器 C. 三态缓冲器D. 锁存器 设计输入输出接口电路时，输入接口电路的关键器件是 ，输出接口电路的关键器件是 。缓冲器锁存器39程序控制传输方式程序控制传

18、输方式 例6-1 图6-6所示为一无条件传输方式的接口电路，开关状态通过74LS244接口芯片采集进来，采集结果再通过74LS373接口芯片锁存输出并加反向驱动后控制8个发光二极管显示，读入的开关状态为高电平的对应的发光二极管发光，开关状态为低电平的不发光。40IN AL，82HOUT80H，AL程序控制传输方式程序控制传输方式地址地址+5V+5VK0K7L0L1L774LS37374LS244D0-D7地址地址译码器译码器WRM/IORDM/IO80H82HD0D7Q0Q1Q7LEOE1Y12Y41A11A42A12A41G2G10输入端口输出端口41程序控制传输方式程序控制传输方式1. 适

19、用于外设动作时间已知，在CPU与外设进行数据传送时，外设保证已准备好的情况 2. 软硬件十分简单。这种方式用得较少，只用在对一些简单外设的操作，如开关、七段显示管等。无条件传输方式(同步方式) 42程序控制传输方式程序控制传输方式程序查询传输方式(条件传输方式) 当无法预知外设的状态时，用程序来查询其状态，若状态不满足I/O条件则等待，满足才进行相应的传输。常见状态信号输入设备 READY 信号：READY=1，输入设备准备好，CPU可 以从设备读入数据(即输入)。输出设备 BUSY 信号： BUSY=1，设备正忙，不能接收CPU 送来的输出数据。43程序控制传输方式程序控制传输方式程序查询传

20、输方式(条件传输方式) 对输入、输出过程分别进行讨论实现方法： 在与外设进行传送数据前，CPU先查询外设状态， 当外设准备好后，才执行I/O指令，实现数据传送特点： 1. CPU通过不断查询外设状态，实现与外设的速度匹配 2. CPU的工作效率低44STATUSIN：IN AL，状态端口地址 TEST AL，测试字 JZSTATUSIN；READY=0，则等待 INAL，数据端口地址 输入过程输入过程Y读取状态信息READY=1？读数据端口的内容N45程序查询式输入接口电路程序查询式输入接口电路输入设备输入锁存CP RD Q三态缓冲地址译码STB接DB接ABREADY接DB的D7RDM/IOR

21、DM/IO+5V状态端口数据端口数据缓冲46程序查询式输入接口电路程序查询式输入接口电路输入设备输入锁存CP RD Q三态缓冲地址译码STB接DB接ABREADY接DB的DiRDM/IORDM/IO+5V状态端口数据端口数据缓冲选通信号一方面将数据锁存到输入锁存器中，一方面作为D触发器的CP信号，使其输出端Q变高输入设备准备好后，送出数据并发选通信号 STB1经三态缓冲器送至数据线的某位，这就是READY信号。CPU通过一条IN指令打开三态缓冲器读入READY信号如果READY=1，则再通过一条IN指令打开数据缓冲器，读入数据同时清除D触发器，使READY为00状态端口地址读入状态信息(REA

22、DY)数据端口地址读入数据47输入过程输入过程 例6-2 程序查询式键盘输入接口及程序。设状态端口地址为10H，数据端口地址为11H，状态“READY”接到状态端口的D0位，即数据总线的D0位。 KINSTART：INAL，10H TEST AL，01H JZKINSTART INAL，11HD CKQ CLR总线接口逻辑数据锁存器选通脉冲KCLK键值(8位)“1”“READY”RDD48STATUSIN： IN AL，状态端口地址 TEST AL，测试字 JNZSTATUSIN; BUSY=1，则等待 MOV AL，待输出数据 OUT数据端口地址，AL输出过程输出过程N读取状态信息BUSY=

23、1？数据输出Y49程序查询式输出接口电路程序查询式输出接口电路输出设备输出锁存R CPQ D三态缓冲地址译码ACK接DB接ABBUSY接DB的D7WRM/IORDM/IO+5V状态端口数据端口图6-1050输出过程输出过程 例6-3 假设要把数据输出缓冲区中的一组60个数据通过某输出设备输出，接口电路如图6-10，当缓冲区的数据已被取空时就输出显示一组信息“BUFFER EMPTY”，然后结束。设该设备的启动地址为0100H，数据端口地址为0101H，状态端口地址为0102H，状态位为D7。 51输出过程输出过程DATA SEGMENTMESS1 DB “BUFFER EMPTY”，“$”BU

24、FF DB 60 DUP(?)DATA ENDSCODE SEGMENTASSUME CS：CODE，DS：DATASTART:MOV AX，DATAMOV DS，AX MOV BX，OFFSET BUFF;送缓冲区指针 MOV CX，60;送计数初值MOVDX,0100H OUT DX，AL;启动设备 待显示的提示信息数据缓冲区60字节的数据设备启动地址52输出过程输出过程 WAIT:MOVDX,0102H IN AL，DX;查询状态，BUSY=1，则等待 TEST AL，80H JNZ WAITMOV AL,BXINCBXMOV DX,0101H OUTDX,AL;输出数据 LOOP WA

25、IT;检测缓冲区是否空,不空继续输出状态端口地址状态字1000000B，状态位为D7位从数据缓冲区取一个数据BX指向缓冲区中下一个数据数据端口地址循环执行60次53输出过程输出过程MOV DX，OFFSET MESS1;缓冲区空，输出标志字符串 MOV AH，09H;显示“BUFFER EMPTY”字符串 INT 21H MOV AH，4CH;中止当前程序并返回 INT 21H CODE ENDS END START Dos系统功能调用输出字符串（AH=9）546.3 6.3 输入输入/ /输出方式及其接口输出方式及其接口程序控制传输方式1 1中断传输方式2 2DMA方式3 34种I/O方式的

26、比较4 455中断传输方式中断传输方式 条件传输方式以牺牲主机的利用率为代价。降低了高速CPU与慢速外设之间数据传输的工作效率，和CPU对外部事件响应的及时性。采用中断技术来解决以上问题56中断传输方式中断传输方式看书电话铃响记下页码把书放好接电话接完电话将书取回继续看书主程序中断请求保护断点保护主程序现场，处理中断恢复主程序现场从断点处继续执行主程序57中断方式输入的接口电路中断方式输入的接口电路输入设备输入锁存CP RD QQ CP D地址译码STB接DB接ABINTR(中断请求)RDM/IOWRM/IO+5V数据端口数据缓冲数据端口选择控制口选择中断请求触发器中断允许触发器控制端口数据总

27、线的某位Di586.3 6.3 输入输入/ /输出方式及其接口输出方式及其接口程序控制传输方式1 1中断传输方式2 2DMA方式3 34种I/O方式的比较4 459DMADMA方式方式 中断传输方式在一定程度上缓解了慢速外设和快速CPU之间的矛盾。但中断过程需要一系列辅助工作，花费不少CPU时间。用DMA（直接存储器存取）方式来解决此问题 当外设的传输速率很高，或要进行大量的数据块传输时，会出现高速外设等CPU的现象。60DMADMA方式方式 一般就是从外设输入一个数据或数据块写入主存，或者从主存读入一个数据或数据块并输出到外设。 在复杂的计算机系统中，DMA传输还能实现外设与外设，主存与主存

28、之间的数据传输。 一般情况下，一个数据的传输仅占用一个存储器读写周期或者更短。因此特别适合于需要高速批量数据传输的场合。实现了不需要CPU控制的高速数据传输。DMA 不能完全取代中断61DMA DMA 传输过程传输过程CPUDMACI/O接口I/O设备主存DMA接口系统总线DMA请求总线请求(HOLD)总线响应(HLDA)DMA响应DMA传输一个完整的DMA过程包括：初始化、DMA请求、DMA响应、DMA传输、DMA结束5个阶段。62DMA DMA 传输过程传输过程63DMA DMA 的数据传送方式的数据传送方式v 单字节传送方式 DMA响应后仅传输一个字就释放总线，并结束本次传输。当存储器的

29、速度远高于I/O速度时常使用。v 成组传送方式 DMAC一旦获得总线控制权，就连续占用多个总线周期，直到一组数据传输完毕或外部作用要求强行结束才释放总线。v 请求传送方式 除了计数次数到和外部信号强行结束外，当DMA请求信号变无效时，DMAC也释放对总线的控制权。64DMA DMA 的特点的特点v可在存储器与I/O设备、存储器与存储器、I/O设备与I/O设备之间直接传送数据，无需CPU干预。vDMA响应时无需保护CPU的现场和断点，因而响应速度快，效率高。v源和目的指针的修改、计数均由硬件完成，因而速度快。v有多种结束方式，与中断联合使用更加灵活。vCPU和I/O设备在一定程度上可以并行工作，

30、CACHE的功能越强大，并行性会越好。65课堂练习课堂练习悬挂状态 8086工作在DMA方式时，其AD015引脚处于 。 8086与工作在DMA方式有关的两个引脚是 ，和 。HOLDHLDA666.3 6.3 输入输入/ /输出方式及其接口输出方式及其接口程序控制传输方式1 1中断传输方式2 2DMA方式3 34种I/O方式的比较4 4674 4 种种I/OI/O方式的对比方式的对比v 无条件传输方式 特点：接口简单，不考虑控制问题时只有数据端口 应用：一般用于纯电子部件的输入输出，以及完全由CPU决定传输时间的场合和外部设备与CPU能同步工作的场合。684 4 种种I/OI/O方式的对比方式的对比v 程序查询传输方式 特点：接口较简单，比无条件传输接口多一个状态端口。在传送过程中，若外设数据没有准备好，则CPU一般在查询、等待，而不能做其他事情。CPU的效率低下。 应用：理论上可用于所有的外设，但是由查询等待等原因，主要应用在CPU负担不重，允许查询等待的场合。 694 4 种种I/OI/O方式的对比方式的对比v 中断传输方式 特点：比前两种方式接口电路复杂一些，而CPU效率大大提高。但是每传送一次数据，CPU都要执行一次中断服务程序，在中断服务程序中，除执行 IN 和 OU