微机原理与接口技术教案19

微机原理课19讲教案主讲人课题输入输出方式目的任务1、外设接口的编址方式2、输入输出指令3、CPU与外设间数据传递方式重点难点1、输入输出指令的常用形式2、查询、中断和直接存储器存取方式的区别教学方法讲授使用教具传统教学法（粉笔和黑板）提问、作业备课时间上课时间审批教研室主任（签字）：年月日抽查系主任（签字）：年月日5.1输入输出方式输入/输出是计算机与外部世界进行信息交换不可缺少的手段，在整个计算机系统中占有极其重要的地位。如果没有输入、输出，计算机将变得毫无意义，因此输入输出的设备是计算机系统的重要组成部分。在微型计算机系统中，除了CPU和内存以外，其它设备都可以认为是输入输出设备。5.1.1外设接口的编址方式1．外设接口由于外部设备种类繁多，功能各不相同，控制的方法各式各样，要求输入或输出的信号形式、电平、速率也千差万别，所以在微机系统中，各种输入/输出设备无法直接连接在总线上与主机进行数据交换，需要在系统总线与外设之间设置一个“适配器”，又称为“接口”的电路板，用于把CPU的控制命令转换成外设的控制信号，把外设的工作情况转换成CPU可以读取并处理的状态信号。把外围设备同微型计算机连接起来的电路称为外设接口电路，简称外设接口。接口部件担负着总线信号与外设信号的转接工作。它一头与外设相连，能够从外设接收数据或向外设发出信号，另一头连接在系统总线上，能够直接接收来自总线的数据和控制信号或者往总线发送数据。2．编址方式由于内存和外设端口都是以字节为基本的数据单位。当总线上出现有效的地址信号时，每个字节型内存储器或外设端口都能够根据地址信号，判断自己是否被选中成为数据传递的对象（完成这种判断的是地址译码器），没有被选中的则不参与本次总线上的数据传递。计算机系统中对外设的编址方式有两种：统一编址和独立编址。统一编址方式的优点是：任何对内存数据进行操作的指令都可用于I/O端口的数据操作，不需要专门的I/O指令，系统编程比较灵活；I/O端口的地址空间是一部分内存空间，可大可小，外设的数目几乎不受限制。它的缺点是：I/O端口占用了一部分内存空间，使内存空间减少；访问I/O端口同访问内存一样，由于访问内存的地址长，指令的机器码也长，执行时间显然增加。独立编址的优点是：I/O端口的地址码一般比同一系统中存储单元的地址码短，译码电路较简单；内存同I/O端口的操作指令不同，程序比较清晰；内存和I/O端口的控制电路结构相互独立，可以分别设计。它的缺点是：需要专门的I/O指令，这些I/O指令一般没有内存访问指令丰富，所以程序设计的灵活性较差。5.1.2输入输出指令8086/8088系统设计有两条专用指令：IN和OUT。1．IN指令格式： INAL，DX ；字节输入INAX，DX ；字输入操作： （AL）←[（DX）] ;（字节操作） （AX）←[（DX）+1，（DX）] ;（字操作）当端口号码超过8位时，必须先把端口号码放在DX寄存器中，即通过DX间接寻址。2．OUT指令格式：OUTDX，AL ；字节输出OUTDX，AX ；字输出操作：[（DX）]←（AL）（字节） ;（字节操作） [（DX）+1，（DX）]←（AX）（字） ;（字操作）当端口号码超过8位时，必须先把端口号码放在DX寄存器中，即通过DX间接寻址。一般情况下，我们只使用8位的指令，即： INAL,DX OUTDX,AL在8086/8088系统中，外设端口号的有效范围是0000H~0FFFFH，共64K个端口号。这个地址空间比实际需要要大很多，在16位PC机中，仅用A9～A0十条地址线表示I/O端口，所以DX间接寻址的范围为0～1023(即0～3FFH)，共1024个端口号（Intel系列高档微机使用全部的端口号）。各个端口号中安排的具体外部设备繁杂，这里不再一一列举，有兴趣的读者可以查阅有关资料。5.1.3CPU与外设间数据传递方式外部设备是多种多样的，不同的设备需要不同的控制方法。对于那些慢速的外设而言，如果CPU传送来的数据速度太快，外设来不及处理，就可能造成数据的丢失；如果外设还没有准备好数据，CPU就已经发出了读操作命令，将读不到正确的数据。因此，计算机系统进行内外数据交换时，必须根据外设的特点采用适当的方式。1．无条件方式这种方式在传送信息时，已知外设是准备好的状态，所以输入输出时都不需要查询外设的状态。可直接用IN和OUT指令完成与接口之间的数据传送。但这种方式必须确保外设已经准备好时才可使用，否则就会出错，故很少使用。采用无条件传送方式的接口电路如（教材）图5-3所示。当进行输入时，由于数据保持时间比CPU的处理时间长，输入端必须用输入缓冲器与CPU的数据总线相连。当进行输出时，由于CPU送出数据的有效时间很短，而外设速度较慢，需要较长的数据保持时间，要求接口有锁存功能，即CPU送给外设的数据应该在接口中保持一段时间。2．查询方式当CPU与外设之间进行数据传递时，很难保证CPU在执行输入操作时，外设一定是“准备好”的；而在执行输出操作时，外设一定是“空闲”的。为保证数据传送的正确进行，CPU必须在数据传送之前对外设的状态进行查询，确认外设已经满足了传送数据的条件后再与外设进行数据交换，否则一直处于查询等待状态，这就是查询方式。使用查询方式工作的外设必须至少有两个部件，其中之一是状态部件。CPU每一次与外设进行数据交换之前，先从状态部件读取信息，判断外设是否处于“就绪”（Ready）状态。如果来自外设的状态信息反映出外设“没有准备好”或正“忙”（Busy），说明还不能进行数据传递；反之，当CPU检测到外设已准备好（Ready）后，才可以与外设进行一次数据传递。（1）查询方式输入（教材）图5-4所示为查询方式输入的接口电路，该电路有两个端口寄存器，即状态口寄存器和数据口寄存器。当输入设备准备好数据之后，发出选通信号。它一方面把输入数据锁存到数据锁存器中，另一方面使状态标志触发器置1。状态标志是一位信号，通过缓冲器后，接到CPU数据总线的某一位上，假设接至D7位。CPU先读状态口，查询D7是否为1。若D7=1，表示输入数据已经准备好，再读数据口，取走输入数据，同时使状态标志触发器复位。（教材）图5-5所示为查询方式输入数据的程序流程图。查询方式输入的程序段如下：SCAN: INAL，状态口地址 TESTAL，80H JZSCAN INAL，数据口地址（2）查询方式输出（教材）图5-6所示为查询式输出接口电路，它的状态口和数据口合用一个地址。当输出设备空闲时，状态标志触发器清0。CPU在输出数据之前，先读取状态信息。假设忙闲标志接至数据线D0位，当D0=0时，表示输出设备空闲，CPU再对数据口执行输出指令。数据口选中信号一方面把输出数据写入锁存器，另一方面使状态标志触发器置1，通知输出设备取数。当输出设备取走当前数据后，向接口发出确认信号ACK，使状态标志触发器清0，表示输出设备空闲，可以接收下一个数据。查询方式输出数据的程序流程图（教材）如5-7所示，程序段如下：SCAN: INAL，状态口地址 ；取状态信息TESTAL，01H ；测忙闲标志JNZSCAN ；忙，转移MOVAL，数据OUT数据口地址，AL ；空闲，输出数据3．中断传送方式查询传送方式要求CPU反复读取并检测外设的状态，大量的时间花费在等待外部设备就绪上。如果系统中含有多个外设，CPU需要轮流对每个外设查询，这样将降低CPU的效率，而且每个外设的速度又存在差异，在这种情况下，CPU不可能及时地满足各个外设的输入输出请求，这在实时系统中很不合适。为了避免这种情况以及提高CPU的利用率，可以采用这样的方法：当外设准备好后，外设接口主动向CPU发“中断请求”信号，若CPU响应这一请求，则暂停正在执行的程序，而转入与外设操作有关的中断服务程序。在中断服务程序中完成数据的输入和数出，中断服务程序执行完毕，CPU返回到原来暂停的程序继续执行，这就是中断传送方式。中断传送方式中，CPU和外设（甚至多个外设）可同时工作，从而大大提高了CPU的效率和控制程序执行的实时性。中断传送时的接口电路如（教材）图5-8所示。它有两个端口，即数据口和中断控制口，它们合用一个地址。当输入设备数据准备好后，发出选通信号，该信号把数据存入锁存器，同时使D触发器置1，发出中断请求。若中断是开放的，则CPU接收中断请求信号，在现行指令执行完后，暂停正在执行的程序，发出中断响应信号。由外设将一个中断矢量放到数据总线上，CPU就转入中断服务程序，完成读取或输出数据，同时清除中断请求标志。中断处理完毕后，CPU返回被中断的程序继续执行。4．直接存储器存取DMA（DirectMemoryAccess）方式中断方式虽然可以提高计算机的工作效率，但仍然是通过CPU执行程序来实现数据传送的。这对于要求高速且传送大量数据的外设（例如硬盘或高速数据采集系统等）来说，速度就显得太慢了，因为这种数据交换是成批的，且单位数据之间的时间间隔较短，若采用中断方式进行数据传输控制，则每次转入中断服务程序，CPU都要进行保护断点和一些寄存器的值以及在中断服务结束之后还要对这些值进行恢复的额外工作。另外当大量的数据传递时，在主机内部，数据不可能完全放在CPU中，只能放在内存中。在CPU控制下进行大量数据的传递，就必须把内存中的数据读到CPU中，然后再写到外设，或者反方向，把数据从外设读到CPU再写往内存。所有这些都会降低CPU的利用率。为此，设想不经过CPU，直接建立内存和外设的数据传送通路，这种方式称为直接