微機(jī)原理與接口技術(shù)第7章-輸入輸出系統(tǒng)課件

1、第7章 輸入輸出系統(tǒng)本章要點(diǎn)了解I/O 接口的概念、功能和一般結(jié)構(gòu)掌握CPU與I/O 設(shè)備之間三種數(shù)據(jù)傳送方式、各自優(yōu)缺點(diǎn)和使用場(chǎng)合掌握 DMA傳送方式的原理、過(guò)程和DMA控制器結(jié)構(gòu)及功能了解并行接口與串行接口、并行通信與串行通信有關(guān)知識(shí)7.1 I/O接口的基本概念7.1.1 I/O接口的結(jié)構(gòu)與功能1I/O接口的結(jié)構(gòu) 接口技術(shù)在微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用過(guò)程中，占有極其重要的地位。無(wú)論是系統(tǒng)內(nèi)部的信息交換還是與系統(tǒng)外部的信息交換，都是通過(guò)接口來(lái)實(shí)現(xiàn)，它是CPU與外界進(jìn)行信息交換的橋梁。 微型計(jì)算機(jī)的輸入輸出接口結(jié)構(gòu)如圖7-1所示。2I/O接口的功能外設(shè)接口電路應(yīng)具有如下功能：轉(zhuǎn)換信息格式。提供聯(lián)

2、絡(luò)信號(hào)。協(xié)調(diào)定時(shí)差異。進(jìn)行譯碼選址。實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。具有時(shí)序控制功能。對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行中斷管理。最好可編程。7.1.2 I/O端口編址方式1統(tǒng)一編址方式它的主要優(yōu)點(diǎn)如下：任何對(duì)I/O 端口的操作與對(duì)存儲(chǔ)器的操作完全相同，任何存儲(chǔ)器操作指令都可用來(lái)操作I/O 端口，而不必使用專用的I/O 指令，因此，訪問(wèn)端口的指令非常豐富，增強(qiáng)了系統(tǒng)的I/O 功能，使訪問(wèn)外設(shè)端口的操作方便、靈活。I/O 端口是內(nèi)存空間的一部分，可大可小，從而可以使外設(shè)數(shù)目幾乎不受限制。CPU無(wú)須產(chǎn)生區(qū)分訪問(wèn)內(nèi)存操作與訪問(wèn)外設(shè)操作的控制信號(hào)。統(tǒng)一編址方法的缺點(diǎn)是： 外設(shè)端口占用了內(nèi)存單元，使內(nèi)存容量減小。 訪問(wèn)內(nèi)存的指令一般較長(zhǎng)，對(duì)

3、I/O 操作的指令比專用I/O 指令多占用存儲(chǔ)空間，執(zhí)行速度較慢。 為了識(shí)別一個(gè)I/O 端口，必須對(duì)全部地址線譯碼，這樣不僅增加了譯碼電路的復(fù)雜性，而且使執(zhí)行外設(shè)尋址的操作時(shí)間相對(duì)增加。2I/O獨(dú)立編址方式 I/O獨(dú)立編址方式又稱專用I/O指令編址方式。采用獨(dú)立編址方式的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，接口中的端口地址與存儲(chǔ)器地址沒(méi)有任何關(guān)系，采用完全獨(dú)立的方式進(jìn)行編址。 I/O 獨(dú)立編址方式的優(yōu)點(diǎn)是： I/O 端口的地址碼一般比同系統(tǒng)中存儲(chǔ)單元的地址碼短，譯碼電路較簡(jiǎn)單。存儲(chǔ)器同I/O 端口的操作指令不同，程序較清晰。存儲(chǔ)器和I/O 端口的控制電路相互獨(dú)立，可以分別設(shè)計(jì)7.2 CPU與I/O設(shè)備數(shù)據(jù)傳送方

4、式7.2.1 無(wú)條件傳送方式 無(wú)條件傳送方式又稱同步傳送方式。主要用于外設(shè)的定時(shí)是固定的或是已知的場(chǎng)合。即外設(shè)必須在微處理器限定的指令時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)備就緒，并完成數(shù)據(jù)的接收或發(fā)送工作。 一個(gè)無(wú)條件傳送的例子如圖7-2所示。圖7-2 無(wú)條件傳送實(shí)例7.2.2 查詢傳送方式 查詢傳送方式又稱異步傳送方式。當(dāng)CPU與外設(shè)工作于無(wú)條件傳送方式時(shí)，很難確保CPU在執(zhí)行輸入輸出操作時(shí)，外設(shè)一定是處于“就緒”狀態(tài)，為保證數(shù)據(jù)傳送的正確進(jìn)行，可以采用查詢傳送方式。采用這種方式傳送數(shù)據(jù)時(shí)，CPU必須先對(duì)外設(shè)進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)。完成一次傳送過(guò)程如下： 執(zhí)行1條輸入指令，讀取外設(shè)的當(dāng)前狀態(tài)。 檢測(cè)該設(shè)備狀態(tài)端口的值，根據(jù)測(cè)試結(jié)

5、果決定程序去向。 如果外設(shè)處于“未就緒”狀態(tài)，則程序轉(zhuǎn)回，再次讀取狀態(tài)端口的值并測(cè)外設(shè)狀態(tài)；如果外設(shè)處于“就緒”狀態(tài)，則執(zhí)行一條輸出或輸入指令，完成一次數(shù)據(jù)傳送。圖7-3 查詢傳送實(shí)例查詢傳送方式的程序流程如圖7-4所示。圖7-4 查詢傳送方式程序流程 7.2.3 中斷傳送方式中斷傳送方式的接口電路如圖7-5所示。在中斷傳送方式中，程序安排在特定時(shí)刻啟動(dòng)特定外設(shè)，然后CPU繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)程。當(dāng)外設(shè)做好數(shù)據(jù)傳送的準(zhǔn)備后，向 CPU發(fā)出“中斷請(qǐng)求”信號(hào)，CPU在可以響應(yīng)中斷的條件下，中斷現(xiàn)行程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序；在中斷服務(wù)程序中通過(guò)IN和OUT指令，完成一次CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送，傳

6、送完成后返回被中斷的程序，從斷點(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行原程序。圖7-5 中斷接口電路7.2.4 DMA傳送方式1DMA傳送方式的工作原理 DMA(Direct Memory Access)傳送是一種不需要CPU干預(yù)也不需要軟件介入的高速數(shù)據(jù)傳送方式。由于CPU只是啟動(dòng)而不干預(yù)這一傳送過(guò)程，同時(shí)整個(gè)傳送過(guò)程只由硬件完成，所以其數(shù)據(jù)傳送速率可以達(dá)到很高。在DMA方式中，對(duì)這一數(shù)據(jù)傳送過(guò)程進(jìn)行控制的硬件稱為DMA控制器(DMAC)，在微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，當(dāng)進(jìn)行DMA傳送時(shí)，它是一個(gè)主設(shè)備，具有使用和控制總線的權(quán)利，能夠產(chǎn)生總線操作的地址和各種控制信號(hào)，其工作過(guò)程如圖7-6所示。 圖7-6 DMA方式工作過(guò)程示意圖

7、2DMAC內(nèi)部結(jié)構(gòu) DMAC的功能部件集成在一塊大規(guī)模集成電路上，如Z80 DMA, Intel 8237，8257，MC6844等，都是常見(jiàn)的DMAC芯片。DMAC主要由以下幾部分組成： 源和目標(biāo)地址寄存器。字節(jié)計(jì)數(shù)器控制與狀態(tài)寄存器其他電路 DMAC的其他電路由數(shù)據(jù)緩沖寄存器、請(qǐng)求和屏蔽寄存器、地址譯碼及讀寫(xiě)控制電路等組成。 DMA控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7-7所示。3DMAC的功能 DMA傳送方式是用硬件實(shí)現(xiàn)在內(nèi)存儲(chǔ)器與外圍設(shè)備之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送而不通過(guò)CPU，所以，在這種傳送方式中，要求CPU讓出總線，其工作所需要的請(qǐng)求和響應(yīng)信號(hào)、地址信號(hào)以及控制信號(hào)都由DMAC提供。DMA控制器應(yīng)具有

8、如下功能：能夠接收外設(shè)的DMA請(qǐng)求信號(hào)，并能向CPU發(fā)出總線請(qǐng)求信號(hào)。當(dāng)CPU接受請(qǐng)求時(shí)，向DMAC發(fā)出總線響應(yīng)信號(hào)后，DMAC接管總線，并對(duì)總線進(jìn)行控制，進(jìn)入DMA傳送方式。能夠?qū)ぶ反鎯?chǔ)器或端口，即能輸出地址信息到地址總線，并自動(dòng)修改存儲(chǔ)器或端口的地址。能夠向外設(shè)或存儲(chǔ)器發(fā)出相應(yīng)的讀/寫(xiě)信號(hào)，以控制讀/寫(xiě)操作的進(jìn)行。能夠自動(dòng)控制傳送的字節(jié)數(shù)，判斷DMA傳送是否結(jié)束。在DMA傳送結(jié)束之后，能清除DMA請(qǐng)求信號(hào)，釋放總線，使CPU重新獲得總線控制權(quán)，恢復(fù)正常工作。 3DMA方式的基本操作方法周期挪用周期擴(kuò)展法CPU停機(jī)法4DMA傳送方式 單字節(jié)方式在單字節(jié)方式中每次DMA請(qǐng)求只傳送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，

9、每傳送一個(gè)字節(jié)，都撤銷DMA請(qǐng)求，釋放總線。 字節(jié)組傳送方式在字節(jié)組傳送方式中，每次DMA請(qǐng)求傳送一個(gè)數(shù)據(jù)塊，待規(guī)定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)塊傳送完畢后才撤銷DMA請(qǐng)求，釋放總線。7.3 串行接口7.3.1 串行通信 所謂串行通信是指數(shù)據(jù)在一根數(shù)據(jù)線上一位接一位傳送的方式。串行通信可以簡(jiǎn)化通信設(shè)備，降低成本，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，因此，在現(xiàn)代通信領(lǐng)域中被廣泛使用。串行通信由同步和異步兩種通信方式。1同步方式和異步方式串行通信可以分為兩種基本的通信方式，即同步通信SYNC(Synchronous Data Communication)和異步通信ASYNC(Asynchronous Data Communicatio

10、n)。同步通信是將許多字符組成一個(gè)信息組，字符可以一個(gè)接一個(gè)地傳輸，同一信息組中的每個(gè)字符之間沒(méi)有間隔，每組信息(通常稱為信息幀)的開(kāi)始要加上一個(gè)或兩個(gè)同步字符，在沒(méi)有信息傳輸時(shí)，用空字符填充。其字符格式如圖7-8所示。圖7-8 同步方式通信的字符格式 同步通信要求進(jìn)行信息傳輸?shù)碾p方必須使用同一個(gè)時(shí)鐘進(jìn)行協(xié)調(diào)，正是這個(gè)時(shí)鐘確定了同步串行傳輸過(guò)程中每1位的起止位置。因此，采用同步方式在傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)，還必須傳輸時(shí)鐘信號(hào)。異步通信不需要同步字符，也不需要發(fā)送的數(shù)據(jù)流是連續(xù)的，兩個(gè)字符之間的間隔是任意的，可以準(zhǔn)備好一個(gè)數(shù)據(jù)就發(fā)送一個(gè)，所以，每個(gè)字符的前后都要有一些數(shù)位來(lái)作為分隔符，即起始位和停止位，

11、用以指示每一個(gè)字符的開(kāi)始和結(jié)束。異步通信的字符格式如圖7-9所示。大多數(shù)可編程串行接口可以檢測(cè)三種錯(cuò)誤奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤、信息幀格式錯(cuò)誤和溢出錯(cuò)誤。 奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤接收端按照事先約定的方式進(jìn)行奇偶效驗(yàn)，然后將奇偶效驗(yàn)的期望值與實(shí)際值進(jìn)行比較，如果兩者不一致，便把奇偶狀態(tài)位置位，供其他設(shè)備查詢。 信息幀格式錯(cuò)誤以起始位開(kāi)頭停止位結(jié)束的二進(jìn)制序列稱為一幀。當(dāng)接收器應(yīng)該接收到停止位而未接收到停止位時(shí)，便發(fā)生了信息幀格式錯(cuò)誤，于是接收器的幀狀態(tài)位置位。產(chǎn)生信息幀格式錯(cuò)誤的原因可能是接收器或發(fā)送器的問(wèn)題、傳輸線路的干擾以及接收器時(shí)鐘誤差超出允許值等造成的。 溢出錯(cuò)誤在接收數(shù)據(jù)的過(guò)程中，當(dāng)接收移位寄存器接收到一個(gè)

12、正確的字符數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)把串行數(shù)據(jù)經(jīng)移位后并行裝入接收數(shù)據(jù)寄存器，并要求CPU及時(shí)讀取該數(shù)據(jù)，如果CPU未能及時(shí)讀取數(shù)據(jù)，下一個(gè)數(shù)據(jù)就無(wú)法進(jìn)入接收數(shù)據(jù)寄存器，而占用接收移位寄存器，當(dāng)再下一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)入接收移位寄存器時(shí)，就會(huì)把原接收移位寄存器中的數(shù)據(jù)沖掉，這就發(fā)生了溢出錯(cuò)誤，溢出錯(cuò)誤常被稱為覆蓋錯(cuò)誤。2串行通信的傳送方式 串行通信通常是在兩個(gè)設(shè)備或接口間進(jìn)行，按照連接通信雙方通路以及傳送數(shù)據(jù)的方向不同，串行通信可以分為單工、半雙工和全雙工三種傳送方式。如圖7-10所示。3串行通信的傳輸率為了衡量串行通信的速度，引用了傳輸率和波特率。所謂傳輸率就是指每秒傳輸二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)，串行傳輸率也常叫做波特率。國(guó)際

13、上還規(guī)定了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)波特率系列，標(biāo)準(zhǔn)波特率也是最常用的波特率，標(biāo)準(zhǔn)波特率系列為110bps、1200bps、1800bps、2400bps、4800bps、9600bps和19200bps。大多數(shù)CRT終端都能夠按110bps到9600bps范圍中的任何一種波特率工作。7.3.2 串行接口的基本結(jié)構(gòu) 微型計(jì)算機(jī)是按照串行方式與大多數(shù)外圍設(shè)備進(jìn)行通信的， 從圖7-11中可以知道，串行接口部件內(nèi)部有6個(gè)主要寄存器，即控制寄存器、狀態(tài)寄存器、數(shù)據(jù)輸入寄存器、數(shù)據(jù)輸出寄存器、接收移位寄存器和發(fā)送移位寄存器。圖7-11 可編程串行接口的結(jié)構(gòu)7.4 并行接口7.4.1 并行通信 并行通信就是把一個(gè)字符編碼的各位二進(jìn)制數(shù)用幾條數(shù)據(jù)線同時(shí)進(jìn)行傳輸。通常一次傳送8位或16位。與串行通信相比，并行通信傳輸?shù)乃俣瓤?、效率高，但需要更多的通信電纜，隨著傳輸距離的加長(zhǎng)，電纜開(kāi)銷較大，增加了通信成本 7.4.2 并行接口的基本結(jié)構(gòu)典型的并行接口和外設(shè)連接如圖7-12所示，圖中的并行接口用一個(gè)通道和輸入設(shè)備相連，用另一個(gè)通道和輸出設(shè)備相連。每個(gè)通道都配有一定的控制線和狀態(tài)線。圖7-12 并行接口連接示意圖7.4.3 串行通信與并行通信的比較串行通信與并行通信各有以下特點(diǎn)： 在傳輸距離方面，并行通信適合于近距離的數(shù)據(jù)傳輸，一般不超過(guò)30m, 在傳輸速度方面，由于并行通信是在若干根通信線上同時(shí)傳送若干位二