第7章 輸入輸出接口技術(shù)

1、1,第,7,章,輸入輸出接口技術(shù),7.1,概述,7.2,輸入,/,輸出的數(shù)據(jù)傳送方式,2,7.1.1,為什么要有,I/O,接口？,7.1,概述,CPU,總線,外設(shè),接口,芯片,緩沖,速度匹配問題,3,7.1.1,為什么要有,I/O,接口？,7.1,概述,CPU,總線,串行,接口,芯片,串行,/,平行傳輸方式，數(shù)據(jù)編碼格式,(,如二進制,/ASCII),電話撥號,Modem,并行,串行,并行,4,7.1.1,接口電路要解決的問題,?,1,CPU,與外設(shè)速度的匹配問題,(,緩沖,),?,2,CPU,與外設(shè)的時序配合問題,(,時序匹配,),?,3,信息表示格式的不一致問題,(,格式轉(zhuǎn)換,),?,串行

2、傳輸,/,并行傳輸；數(shù)據(jù)編碼,(ASCII/,二進制,),?,4,信息類型與信號電平,(,電平轉(zhuǎn)換,),的匹配,?,數(shù)字信號,/,模擬信號；電平高低也不一樣,5,接口是什么？,接口,：,CPU,和外設(shè)之間通過,系統(tǒng)總線,進行連接的邏輯電,路，它是,CPU,與外界進行信息交換的,中轉(zhuǎn)站,，起到,信,息轉(zhuǎn)換,和,數(shù)據(jù)傳遞,的作用。,CPU,外設(shè),接口,芯片,各種匹配,總線,并行接口,8255,芯片,6,7.1,概述,?,7.1.2,輸入輸出接口的結(jié)構(gòu)與功能,1.,輸入輸出接口一般有什么樣的結(jié)構(gòu)？,端口地址,CPU,I/O,外設(shè),數(shù)據(jù),數(shù)據(jù),狀態(tài),控制,M/ IO,RD,WR,數(shù)據(jù)寄存器,狀態(tài)寄存器

3、,控制寄存器,附加電路：,命,令譯碼,/,端口地,址譯碼,/,控制,I/O,接口,7,7.1,概述,小結(jié)：輸入輸出接口的一般結(jié)構(gòu),（,1,）,數(shù)據(jù)寄存器,：起數(shù)據(jù)緩沖作用。,（,2,）,狀態(tài)寄存器,：反映外設(shè)工作狀態(tài)。,（,3,）,控制寄存器,：確定接口電路的工作方式。,（,4,）,命令譯碼、端口地址譯碼及控制電路,：負責(zé)選,擇端口，對,CPU,送來的命令進行譯碼并執(zhí)行控制操,作等。,問題：,結(jié)構(gòu)清楚了，接口位于,CPU,和外設(shè)之間，具體,需要承擔(dān)哪些功能呢？,8,7.1,概述,2.,輸入輸出接口都有哪些功能？,（,1,）數(shù)據(jù)的寄存和緩沖；,CPU,I/O,寄存器,RAM,外設(shè),總線,9,7.

4、1,概述,2.,輸入輸出接口都有哪些功能？,（,2,）信號電平轉(zhuǎn)換,CPU,：,TTL/CMOS,電平；,外設(shè)：復(fù)雜機電設(shè)備，,TTL/CMOS,電平無法驅(qū)動；,接口電路完成轉(zhuǎn)換。,10,7.1,概述,2.,輸入輸出接口都有哪些功能？,（,3,）信息格式轉(zhuǎn)換；,?,數(shù),/,模,(,模,/,數(shù),),轉(zhuǎn)換,?,并,-,串,(,串,-,并,),轉(zhuǎn)換,?,格式轉(zhuǎn)換：例如二進制與,ASCII,編碼,11,7.1,概述,2.,輸入輸出接口都有哪些功能？,（,4,）設(shè)備選擇：,同一時間內(nèi)，,CPU,只能與一臺外設(shè)交換信息，外設(shè)沒有退,讓機制，必須借助接口的地址譯碼電路來選定外設(shè)。,12,7.1,概述,2.,

5、輸入輸出接口都有哪些功能？,（,5,）對外設(shè)的控制與檢測；,“,握手聯(lián)絡(luò),”的方式保證,CPU,和外設(shè)輸入,/,輸出操作的同步。,CPU,接口,外設(shè),控制，定時信號,工作狀態(tài),應(yīng)答信號,Ready,Busy,13,7.1,概述,2.,輸入輸出接口都有哪些功能？,（,6,）產(chǎn)生中斷請求及,DMA,請求；,要求接口有產(chǎn)生中斷請求，,DMA,請求的能力，并能管理中,斷和,DMA,，以實施中斷傳輸方式和,DMA,傳輸方式。,什么設(shè)備需要中斷傳輸方式？,14,7.1,概述,2.,輸入輸出接口都有哪些功能？,（,7,）可編程功能。,接口是一塊電路，它的可編程功能是指什么？,不改變接口硬件，通過,軟件指令,

6、可以,指示,它按照不同的方式,工作，獲得多種靈活的功能，大大增加接口的靈活性和可擴,充性；接口的智能化。,15,7.1,概述,7.1.3 CPU,與,I/O,接口之間傳遞什么信息？,1.,數(shù)據(jù)信息,通常為,8,位或,16,位，可分為,數(shù)字量,、,模擬量,和,開關(guān)量,。,數(shù)字量：,二進制數(shù)據(jù)，或,ASCII,碼數(shù)據(jù),/,字符，以字節(jié)為單位,模擬量：,實時控制時，處理連續(xù)變化的物理量，,A/D,，,D/A,。,開關(guān)量：,表示只有兩個狀態(tài)的量,16,7.1,概述,光有數(shù)據(jù)信息夠不夠？,2.,狀態(tài)信息,反映當(dāng)前,外設(shè)接口或外設(shè)的狀態(tài),，,CPU,可根據(jù)這些狀,態(tài)信息決定對外設(shè)進行操作或控制。,READ

7、Y,輸入設(shè)備,EMPTY,輸出設(shè)備,BUSY,17,7.1,概述,有了數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，還缺什么信息？,3.,控制信息,是,CPU,通過接口發(fā)送給外設(shè)的，用于控制外設(shè)的,啟動或停止,，,設(shè)置外設(shè)的,工作方式,等。,CPU,如何和特定的某個接口傳輸數(shù)據(jù)、狀態(tài)、控制信息？,端口地址,CPU,I/O,外設(shè),數(shù)據(jù),數(shù)據(jù),狀態(tài),控制,M/ IO,RD,WR,數(shù)據(jù)寄存器,狀態(tài)寄存器,控制寄存器,附加電路：,命,令譯碼,/,端口地,址譯碼,/,控制,端口,1,端口,2,端口,3,寄存器被,編了地址：,端口地址,18,7.1,概述,7.1.4 I/O,端口編址方式,00000H,內(nèi)存地址,端口地址,EFFFFH

8、,F0000H,FFFFFH,為了進行讀寫訪問，接口寄存器被編了地址，即端口地址。,那么，端口地址是怎么編制、確定的？,1.,統(tǒng)一編址,也稱為,存儲器映射編址,方式，,是把每一個端口視為一個存,儲單元，,I/O,端口與存儲單元,在同一個地址空間中進行編,址，如圖,7-2,所示。,?,訪問外設(shè)與訪問主存相同；,?,占用部分主存地址空間,?,19,7.1,概述,2.,獨立編址,將,I/O,端口與存儲器分別單,獨編址，兩者的地址空間互相,獨立、互不影響。,I/O,端口不占用內(nèi)存單元地,址，節(jié)省內(nèi)存空間；使用專用,I/O,指令，其類型少，使程序設(shè),計靈活性較差，且使用,I/O,指令,一般只能在累加器和

9、,I/O,端口之,間交換信息，處理能力不如統(tǒng),一編址方式強。,內(nèi),存,地,址,空,間,00000H,FFFFFH,I/O,地址,0000H,FFFFH,M/IO,8086,系統(tǒng),20,7.2,輸入,/,輸出的數(shù)據(jù)傳送方式,有結(jié)構(gòu)、功能、地址，只要讀,/,寫端口就可以和接口,之間傳輸信息，但是如何決定,什么時候,讀寫數(shù)據(jù)，怎,樣,連續(xù)傳輸,？,7.2.1,無條件傳送方式,無條件傳送方式也稱為同步傳送方式，主要用于對簡單外,設(shè)進行操作，外設(shè)處于,時刻,準備好狀態(tài)，,CPU,不必檢查外設(shè)的,狀態(tài)，可隨時讀,/,寫。,21,圖,7-3,是無條件傳送輸入方式的典型例子,。,1Y1 1A1,1Y2 1A2

10、,74LS44,2Y4,2A4,1G,2G,M/IO,CS,RD,.,+5V,開關(guān),.,.,.,.,.,.,.,D,0,D,1,.,.,.,D,7,圖,7-3,簡單輸入端口,7.2,輸入,/,輸出的數(shù)據(jù)傳送方式,接口,外設(shè),22,圖,7-4,是無條件傳送輸出方式的典型例子,。,1D 1Q,2D 2Q,74LS273,8D 8Q,CLK,M/IO,CS,WR,D,0,D,1,D,7,LED,.,.,.,.,.,.,圖,7,-,4,簡單輸出端口,接口,外設(shè),23,采用查詢傳送方式,也稱條件傳送方式。,傳送數(shù)據(jù)前，,CPU,要先執(zhí)行一條輸入指令，,從外設(shè),的狀態(tài)口讀取當(dāng)前狀態(tài),。如外設(shè)未準備好數(shù)據(jù)或

11、處,于忙狀態(tài)，則程序要反復(fù)執(zhí)行讀狀態(tài)指令，不斷檢,測外設(shè)狀態(tài)。,7.2.2,查詢傳送方式,問題,：（,1,）有時外設(shè),不能隨時處理數(shù)據(jù),，它必須做,好準備工作才能處理數(shù)據(jù)，這時候直接發(fā)送數(shù)據(jù)會丟,失數(shù)據(jù)；（,2,）直接讀數(shù)據(jù)則很可能讀到的是,上次讀,過的數(shù)據(jù),。應(yīng)該怎么做？,24,輸入,裝置,鎖,存,器,三態(tài),緩沖器,（,8,位）,R,Q,D,+5V,緩沖器,（,1,位）,AEN,地址譯碼,去系統(tǒng),數(shù)據(jù)總線,數(shù)據(jù),狀態(tài),信息,Ready,IOR,IOR,AEN,地址譯碼,系統(tǒng)地址總線,A,0,A,9,選通,信號,數(shù)據(jù),（,1,）查詢式輸入：接口電路如下圖所示。,外設(shè),接口,讀狀態(tài),端口,讀數(shù)據(jù)

12、,端口,25,【例,7.1,】從外設(shè)端口輸入并存入內(nèi)存一組數(shù)據(jù)，設(shè),SR,為狀態(tài)寄存器，其第,7,位為,READY,位，,DR,為數(shù)據(jù)寄存器，寫出查詢式輸入部分的程序。數(shù)據(jù),區(qū)從,BUF,開始，數(shù)據(jù)個數(shù)為,CN,。,源程序：,LEA,BX, BUF,MOV,CX, CN,WAITING,：,IN AL, SR ;,輸入狀態(tài)信息,TEST,AL, 80H ;,檢查,READY,是否為高電平,JE,WAITING ;,未準備好,循環(huán)檢測,IN,AL, DR ;,準備好,讀入數(shù)據(jù),MOV,BX, AL ;,寫入內(nèi)存,INC,BX,LOOP,WAITING,26,RD,數(shù)據(jù)端口,地址譯碼,M/IO,狀

13、態(tài)端口,地址譯碼,系統(tǒng)地址總線,A,7,A,0,M/IO,WR,三態(tài),緩沖器,去系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線,狀態(tài)信息,“,BUSY,”,輸出,裝置,鎖,存,器,系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線,Q D,R,+5V,“,BUSY,”,數(shù)據(jù),ACK,（,2,）查詢式輸出：接口電路如下圖所示。,外設(shè),接口,讀狀態(tài),端口,寫數(shù)據(jù),端口,27,【,例,7.2,】,向外設(shè)端口輸出內(nèi)存中一組數(shù)據(jù)，設(shè),SR,為狀,態(tài)寄存器，其第,7,位為,BUSY,位，,DR,為數(shù)據(jù)寄存器，查,詢輸出部分的程序為：,WAITING,：,IN AL,，,SR,；輸入狀態(tài)信息,TEST AL,，,80H,；,檢查,BUSY,位,JNE WAITING,；,BUS

14、Y=1,，則等待循環(huán),；否則準備輸出數(shù)據(jù),MOV AL,，,BX,；從緩沖區(qū)取數(shù)據(jù),OUT DR,，,AL,；輸出數(shù)據(jù),INC BX,LOOP WAITING,28,?,問題：（,1,）,查詢方式需要,CPU,不斷檢測外,部設(shè)備是否就緒，使得,CPU,無法做其他事情；,（,2,）,如果外設(shè)很多，,CPU,逐個輪流去查詢，,導(dǎo)致某些準備好的外設(shè)得不到及時處理。,如,何改進？,把,CPU,主動查詢外設(shè)狀態(tài)，改為由外設(shè)準備好,之后主動通知,CPU,中斷傳輸方式。,29,7.2.3,中斷傳送方式,?,中斷指,CPU,執(zhí)行程序中被內(nèi)外部事件打斷，轉(zhuǎn)去執(zhí)行事,先安排好的中斷服務(wù)程序；服務(wù)結(jié)束后又返回到原斷

15、點，,繼續(xù)執(zhí)行原來程序。,?,中斷傳送方式是當(dāng),CPU,與外設(shè)交換數(shù)據(jù)時，由外設(shè)主動,請求,CPU,為其服務(wù)。,?,輸入設(shè)備準備好數(shù)據(jù)后向,CPU,提出中斷請求，,CPU,暫停,當(dāng)前程序執(zhí)行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序，用輸入指令進,行一次數(shù)據(jù)輸入，然后再返回到被中斷程序繼續(xù)執(zhí)行。,?,當(dāng)輸出端口數(shù)據(jù)緩沖器空時，外設(shè)向,CPU,發(fā)中斷請求，,CPU,暫停當(dāng)前程序執(zhí)行轉(zhuǎn)相應(yīng)中斷服務(wù)程序，用輸出指,令向外設(shè)進行一次數(shù)據(jù)輸出。輸出操作完成后,CPU,返回,執(zhí)行原來被中斷的程序。,30,中斷傳輸方式,外設(shè),mov ax,10,imul ax,CPU,我準備好了,mov dx,3F8,mov al, 10,o

16、ut dx, al,iret,31,輸入,裝置,鎖,存,器,三態(tài),緩沖器,R,Q,D,+5V,裝置中斷允許,地址譯碼,去系統(tǒng),數(shù)據(jù)總線,三態(tài)緩沖器,系統(tǒng)地址總線,A,0,A,7,選通,信號,數(shù)據(jù),INTR,RD,M/IO,去數(shù)據(jù)總線,中斷矢量,INTA,中斷傳送方式接口電路如圖所示。,獲取中,斷向量,中斷服務(wù),程序：,傳輸數(shù)據(jù),32,?,問題,：,每傳輸一次，就中斷一次，進行現(xiàn)場,保護，程序跳轉(zhuǎn)，最后還要恢復(fù)現(xiàn)場，花費,時間多，如果要傳輸大量數(shù)據(jù)，每個字節(jié)都,進行一次中斷過程，效率低下。,應(yīng)該如何改進？,DMA -,直接內(nèi)存訪問，一次傳輸一批數(shù)據(jù)。,33,?,DMA,是直接存儲器存取方式。在內(nèi)

17、存與外設(shè)間開辟專,用數(shù)據(jù)通道，在,DMA,控制器的控制下，直接進行數(shù)據(jù),傳送。,?,該方式利用系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線傳送,數(shù)據(jù)，外設(shè)需,DMA,方式進行數(shù)據(jù)傳送時，,DMA,控制,器先向,CPU,發(fā)出總線請求信號,HOLD,，要求,CPU,讓出,對總線的控制權(quán)。,?,當(dāng),CPU,發(fā)出總線響應(yīng)信號,HLDA,，,CPU,進入“保持”,狀態(tài)，暫停工作。,DMA,控制器取代,CPU,，臨時接管總,線，控制外設(shè)和存儲器之間直接進行高速的數(shù)據(jù)傳送，,而不需要,CPU,進行干預(yù)。,7.2.4 DMA,傳送方式,34,DMA,模式,存儲器,接口,CPU,DMA,控制器,HRQ,HLDA,圖中省去了控制總線,思考：,