第7章--输入输出接口技术要点.ppt

1、1,I/O接口的功能 I/O端口及其寻址方式 CPU与外设间的数据传送方式 PC机的I/O地址分配,第7章 输入输出接口技术,2,为了让外部设备按计算机的要求有次序地输入或接收数据，计算机的CPU要能控制输入输出设备启动或停止，以及了解它们的当前工作状态，并据此送出相应的控制命令。 通常，我们把计算机与外设间的这种交换数据、状态和控制命令的过程统称为通信。 CPU与外设交换信息的过程，和它与存储器交换数据那样，也是在控制信号的作用下通过数据总线来完成的。,3,I/O接口的功能 采用I/O接口的必要性 计算机和外设之间的信息交换带来一些问题： 速度不匹配 信号电平不匹配 信号格式不匹配 时序不匹

2、配 接口电路：CPU与外设之间实现信息交换的连接电路。,4,接口的功能： 设置数据缓冲器以解决两者速度差异所带来的不协调问题 设置信号电平转换电路 设置信息转换逻辑以满足对各自格式的要求 设置时序控制电路来同步CPU和外设的工作 提供地址译码电路，使CPU在同一时刻只能选中某一个I/O端口。,CPU,接口,外设,5,注意： CPU对外设的输入输出操作类似于存储器的读写操作，即I/O读写，但外设与存储器有诸多不同； 外设与计算机的连接不能像存储器那样直接挂在总线上，必须通过各自的专用接口电路与主机相连。,6,可编程中断控制器8259A 可编程计数器/定时器8253 可编程外围接口芯片8255A

3、串行通信和可编程接口芯片8251A A/D和D/A转换芯片。 本章介绍最常用的简单I/O接口芯片,主要有缓冲器(Buffer)和锁存器(Latch)。,可编程输入输出接口芯片,7,二、I/O端口及其寻址方式,I/O端口 CPU与外设通信时，传送的信息主要包括数据信息、状态信息和控制信息。 这些信息分别进入不同的寄存器，通常将这些寄存器和它们的控制逻辑统称为I/O端口（Port），CPU可对端口中的信息直接进行读写。,数据信息,状态信息,控制信息,CPU,外设,数据端口,数据端口,状态端口,控制端口,8,(1)3种信息（数据、状态、控制）的性质不同,应通过不同的端口分别传送。每个端口都有自己的端

4、口地址，用不同的端口地址来区分不同性质的信息。 (2)在用输入输出指令来寻址外设时，外设的状态作为一种输入数据，而CPU的控制命令,是作为一种输出数据,从而可通过数据总线来分别传送。 (3)端口地址由CPU地址总线的低8位或低16位地址信息来确定，CPU根据IO指令提供的端口地址来寻址端口,然后同外设交换信息。,注意：,9,1）数据端口（Data Port） 存放CPU与外设之间交换的数据，1-2个字节，起缓冲作用。 2）状态端口（Status Port） 状态信息是反映外设当前所处工作状态的信息，以作为CPU与外设间可靠交换数据的条件。 输入时:告知CPU有关输入设备的数据是否准备好（Rea

5、dy=1?）； 输出时:告知CPU输出设备是否空闲（Busy=0?）。 CPU是通过接口电路来掌握输入输出设备的状态，以决定可否输入或输出数据。,1. I/O端口,10,准备就绪位（Ready） 针对CPU输入端口：1表示数据准备好等CPU来读取，被取走后清0。 针对CPU输出端口：1表示上一个数据已被外设取走，可接收CPU的下一个数据了，新数据到达后清0。 忙碌位（Busy） 表明外设是否能接收数据 1表示外设正在进行输出数据传送操作，不允许CPU送数据过来，本次数据传送完毕，该位清0，表明外设空闲，允许CPU将下一个数据送到输出端口。 错误位（Error） 指示在数据传送过程中出现错误,2

6、）状态端口,11,3）命令端口（Command Port） 也称为控制端口（Control Port） 存放CPU向接口发出的各种命令和控制字，以便控制接口或设备的动作。 命令信息有启动位、停止位、允许中断位等。 常见的控制字有方式控制字、操作命令字等。,1. I/O端口,CPU通过IN和OUT指令进行输入输出。 将状态信息作为输入数据，控制信息作为输出数据。 3种信息都通过数据总线传送，但被送入3种不同端口的寄存器，因而能实施不同的功能。,12,2. I/O端口的寻址方法,1）存储器映像寻址方式（Memory Mapped I/O） 把系统中的每一个I/O端口看作一个存储单元，并与存储单元一

7、样统一编址。访问存储器的所有指令均可用来访问I/O端口，不用设置专门的I/O指令。 实际上是把I/O地址映射到存储空间，作为整个存储空间的一小部分。 应用于Motorola的MC6800、MC68000等。 优点：简化了指令系统的设计，不必包含I/O操作指令；能用功能强的存储器指令，操作方便灵活；I/O地址空间可调。 缺点：I/O端口占用存储器的地址空间；译码电路复杂；指令较长，延长了输入输出的操作时间。,CPU对外设的访问实质上是对I/O接口电路中相应端口的访问，也需要由译码电路来形成I/O端口地址。,13,2. I/O端口的寻址方法,2）I/O单独编址方式 对I/O端口单独编址来构成一个I

8、/O空间，用专门的IN和OUT指令来访问端口。 Intel 8086和8088等采用这种方式。 8086中用地址总线的低16位来寻址I/O口 输入和输出端口可用相同的地址，M/IO控制信号用来区分是I/O寻址和存储器寻址。 优点：将I/O指令和访存指令区分开，使程序清晰，可读性好；I/O指令较短，执行速度快，也不占用内存空间；I/O译码电路较简单。 缺点：CPU指令系统必须有专门的IN和OUT指令，没有访存指令的功能强。CPU必须提供区分存储器和I/O读写的控制信号（如8086的M/IO信号等）。,14,三、CPU与外设间的数据传送方式,软件实现：无条件方式、程序查询方式、中断方式。 硬件实现

9、：DMA方式。,无条件方式 最简单的传送方式，主要用于控制CPU与低速接口之间的信息交换，或者外设的定时是固定的或已知的场合。 这类信号变化缓慢，当需要采集时，外设已经将数据准备就绪了，无需检查端口的状态，就可立即采集数据。 对少量数据传送来说，它是最省时间的一种传送方法。,15,输入数据时,因简单外设输入数据的保持时间相对于CPU的接收速度来说较长，故输入数据通常不用加锁存器来锁存,而直接使用三态缓冲器与CPU数据总线相连即可。 输出数据时,一般都需要锁存器将要输出的数据保持一段时间,其长短和外设的动作相适应。 锁存时，在锁存允许端CE=1(为无效电平)时,数据总线上的新数据不能进入锁存器。

10、 只有当确知外设已取走CPU上次送入锁存器的数据,方能在CE=0（为有效电平）时将新数据再送入锁存器保留。,输入缓冲与输出锁存的概念,16,输入输出(无条件程序传送)原理图,17,输入时，假定来自外设的数据已输入至三态缓冲器； 当CPU执行IN指令时，所指定的端口地址经地址总线的低16位或低8位送至地址译码器，CPU进入了输入周期； 选中的地址信号和M/IO（以及RD）相“与”后,去选通输入三态缓冲器，把外设的数据与数据总线连通并读入CPU。 显然，这样做必须是当CPU执行IN指令时,外设的数据是已准备好的，否则就会读错。,输入时：,18,输出时，假定CPU的输出信息经数据总线已送到输出锁存器

11、的输入端； CPU执行OUT指令时,端口的地址由地址总线的低位地址送至地址译码器，CPU进入了输出周期； 所选中的地址信号和M/IO（以及WR 信号）相“与”后，去选通锁存器，把输出信息送至锁存器保留,由它再把信息通过外设输出。 显然，在CPU执行OUT指令时,必须确信所选外设的锁存器是空的。,输出时：,19,无条件传送方式,开关连接到三态缓冲器，缓冲器输出端接到CPU的数据总线。 开关断开：高电平输入； 开关闭合：低电平输入。 执行输入指令，使M/IO、RD和片选信号CS同时变为低电平，经过反向与非门变成有效的低电平开启缓冲器的三态门，使开关的当前状态以二进制的形式被读入CPU。 检查字节各

12、位的内容，就能了解各开关的当前状态。,简单输入端口,CPU查询按键开关的状态,20,无条件传送方式,用一个由锁存器构成的输出端口来把LED接到计算机的数据总线上，并串接一个限流电阻。 共阴连接：需要点燃某个LED时，只要用输出指令向此端口输出一个字节，该字节中相应于点燃的LED的位是1，其余各位为0。 输出指令使M/IO、WR和片选信号CS同时变低，相与后的低电平信号经反相后触发锁存器，将输出指令送到数据总线上的值锁存在输出端，使指定的LED发光。 由于锁存器的作用，输出值能一直保持到下一个输出指令到达为止，这段时间内，LED的状态也将保持不变。,简单输出端口,控制LED显示器的点灭,21,2

13、. 查询式传送,它也是一种程序传送，但与前述无条件的同步传送不同,是有条件的异步传送。 条件是:在执行输入(IN指令)或输出(OUT指令)前，要先查询接口中状态寄存器的状态 输入时：由该状态信息指示要输入的数据是否已“准备就绪”； 输出时：又由它指示输出设备是否“空闲”； 由此条件来决定执行输入或输出。,22,查询式输入方式,当输入设备准备好数据后，就向I/O接口电路发一个选通信号。 把数据送入锁存器； 使D触发器的Q端置1，给出“准备”READY的状态信号.表明数据准备好。 CPU执行IN指令读状态口的信息，三态门开启，Q端的1送到D0位，并被读入累加器。 程序检测到D0为1后，便执行IN指

14、令读数据口。 开启数据缓冲器，将外设送到锁存器中的数据经缓冲器送到数据总线后进累加器。 将D触发器清0，一次数据传送完毕。,Ready,23,查询式输入方式,设状态口的地址是PORT_S1，输入数据口的地址是PORT_IN，传送数据的总字节数为COUNT_1： MOV BX,0；初始化地址指针BX MOV CX,COUNT_1；字节数 READ_S1:IN AL,PORT_S1；读入状态位 TEST AL,01H；数据准备好否？ JZ READ_S1；否，循环检测 IN AL,PORT_IN；已准备好，读数据 MOV BX,AL；存到内存缓冲区 INC BX；修改地址指针 LOOP READ_

15、S1 ；未传送完，继续传送,24,查询式输出方式,当CPU准备向外设输出数据时，先执行IN指令读状态口的信息。三态门开启，从数据总线D1位读入BUSY状态。 若BUSY=1，表示外设在接收上一个数据的忙碌状态。 只有在BUSY=0时，CPU才能向外设输出新的数据。 程序检测到D1(BUSY)为0后，便执行OUT指令输出数据。 选通数据锁存器，将数据送向外设。 选通信号的后沿使D触发器翻转，置Q为高电平，将状态口的BUSY置1。 输出设备从接口中取出数据后，就送回一个应答信号ACK，将D触发器清0，即置BUSY为0，允许CPU送出下一个数据。,25,查询式输出方式,设状态口的地址是PORT_S2

16、,输出数据口的地址是PORT_OUT,传送数据的总字节数为COUNT_2: MOV CX，COUNT_2；传送的字节数 READ_S2: IN AL,PORT_S2；读入状态位 TEST AL,02H；忙否？ JNZ READ_S2；忙，循环检测 MOV AL,输出数据；不忙 OUT PORT_OUT,AL；存到内存缓冲区 LOOP READ_S2；未传送完，循环 ；已送完,26,程序查询输入/输出传送方式的执行过程：,()CPU从I/O接口的状态端口中读入所寻址的外设的状态信息“READY”或“BUSY”。 ()根据读入的状态信息进行判断。程序查询输入时，若状态信息READY0，则外设数据未

17、准备好，CPU继续等待查询,直至READY，外设已准备好数据,执行下一步操作;程序查询输出时，若状态信息BUSY，则外设正在“忙”,CPU继续等待查询,直至外设“空闲”,BUSY0时，执行下一步操作。 ()执行输入/输出指令，进行I/O传送。完成数据的输入输出，同时将外设的状态信息复位，一个位的数据传送结束。,27,优点：接口电路简单，硬件成本低。 缺点：CPU必须作程序等待循环,不断测试外设的状态,直至外设为交换数据准备就绪时为止。这种循环等待方式很花费时间，大大降低了CPU的运行效率。 所以这种输入输出方式只适用于CPU数据处理任务不繁忙，而且外部设备数较少的情况。,查询法输入输出方法的优

18、缺点：,28,查询等待过程会占去CPU的绝大部分时间 采用中断方式与外设交换数据 CPU平时执行主程序 当输入设备准备好时向CPU发出中断请求 CPU响应中断后暂停执行当前的程序 转去执行管理外设的中断服务程序 用输入或输出指令在CPU和外设之间进行一次数据交换 输入输出操作完成之后CPU又回去执行原来的程序,第八章,中断,3. 中断方式,29,所谓中断是外设或其他中断源中止CPU当前正在执行的程序,而转向为该外设服务的程序,一旦服务结束，又返回原程序继续工作。 这样，外设处理数据期间，CPU就不必浪费大量时间去查询它们的状态,只待外设处理完毕主动向CPU提出请求（向CPU发中断请求信号）。 而CPU在每一条指令执行的结尾阶段，均查询是否有中断请求信号（这种查询是由硬件完成的,不占用CPU的工作时间），若有，则暂停执行现行的程序，转去为申请中断的某个外设服务，以完成数据传送。,30,优点：大大提高