第六章 輸入輸出技術(shù)

第六章輸入輸出技術(shù)6.1I/O接口概述6.2I/O端口的編址方式6.3I/O傳送方式6.1I/O接口概述I/O接口:指CPU與外圍設(shè)備或外圍設(shè)備與系統(tǒng)設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和通信的連接電路，是CPU與外界進(jìn)行信息交換的中轉(zhuǎn)站。I/O接口技術(shù):是研究CPU如何與外設(shè)進(jìn)行最佳耦合與匹配，實(shí)現(xiàn)雙方高效、可靠地交換信息的一門(mén)技術(shù)，是軟件、硬件結(jié)合的體現(xiàn)，是微機(jī)應(yīng)用的關(guān)鍵。

速度匹配光電隔離驅(qū)動(dòng)外設(shè)信號(hào)特性匹配時(shí)序匹配數(shù)據(jù)緩沖與鎖存信息格式轉(zhuǎn)換設(shè)備選擇中斷控制一、I/O接口的功能二、CPU與I/O設(shè)備之間的信息類(lèi)型狀態(tài)端口數(shù)據(jù)端口(輸入/輸出)控制端口地址譯碼數(shù)據(jù)緩沖控制電路外設(shè)ABDBCBCPU數(shù)據(jù)狀態(tài)控制1、數(shù)據(jù)信息通常包括數(shù)字量、模擬量和開(kāi)關(guān)量3種信息數(shù)字量以二進(jìn)制形式或是以ASCII碼表示的數(shù)或字符。模擬量指在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，某些現(xiàn)場(chǎng)信息經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再通過(guò)放大得到模擬電壓或電流。開(kāi)關(guān)量指只含兩種狀態(tài)的量，如開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)與閉合，電路的通與斷等，故只需用一位二進(jìn)制數(shù)即可描述一個(gè)開(kāi)關(guān)量。2、狀態(tài)信息狀態(tài)信息作為一種CPU與I/O之間的接口信號(hào)，主要用來(lái)反映I/O設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)。

3、控制信息控制信息是CPU通過(guò)I/O接口傳送給外設(shè)的，專(zhuān)門(mén)用來(lái)控制I/O設(shè)備的操作，是向外設(shè)傳送的控制命令。

三、I/O接口的基本結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息作為CPU與I/O設(shè)備間的接口信號(hào)，在接口電路中，將這3種信息分別存放在不同的寄存器中，這些寄存器稱(chēng)為接口電路的I/O端口。接口電路有3種端口：數(shù)據(jù)端口，狀態(tài)端口和控制端口。

數(shù)據(jù)端口：數(shù)據(jù)端口可分為數(shù)據(jù)輸入端口和數(shù)據(jù)輸出端口兩類(lèi)。在輸入時(shí)，由數(shù)據(jù)輸入端口保存外設(shè)發(fā)往CPU或內(nèi)存的數(shù)據(jù)；在輸出時(shí)，由數(shù)據(jù)輸出端口保存CPU或內(nèi)存發(fā)往外設(shè)的數(shù)據(jù)。

狀態(tài)端口：狀態(tài)端口用來(lái)保存I/O設(shè)備或接口部件本身的工作狀態(tài)信息，讓微處理器了解數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中正在發(fā)生或最近已發(fā)生的狀態(tài)?？刂贫丝冢嚎刂贫丝谟脕?lái)存放處理器發(fā)來(lái)的控制命令與其他信息，確定接口電路的工作方式和功能，便于控制接口電路和I/O設(shè)備的動(dòng)作。

CPU和外部設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，各類(lèi)信息在接口中將進(jìn)入不同的寄存器，一般稱(chēng)這些寄存器為I/O端口；每個(gè)端口分配一個(gè)地址號(hào)，稱(chēng)之為端口地址，CPU通過(guò)指令對(duì)它們進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)；I/O端口分：數(shù)據(jù)端口、狀態(tài)端口和命令端口。

8086CPU最大可用地址總線(xiàn)的低16位作為對(duì)8位I/O端口的尋址線(xiàn)，相鄰的兩個(gè)8位端口可以組成一個(gè)16位端口，所以8086CPU可訪(fǎng)問(wèn)的8位I/O端口有64K個(gè)，16位I/O端口有32K個(gè)。

6.2I/O端口的編址方式一、I/O端口與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址優(yōu)點(diǎn)：不需要專(zhuān)門(mén)的I/O指令I(lǐng)/O數(shù)據(jù)存取與存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存取一樣靈活缺點(diǎn)：I/O端口要占去部分存儲(chǔ)器地址空間尋址速度比專(zhuān)用的I/O指令慢內(nèi)存部分I/O部分存儲(chǔ)器空間00000HFFFFFH二、I/O端口獨(dú)立編址優(yōu)點(diǎn)：I/O端口的地址空間獨(dú)立，不占用內(nèi)存空間指令的執(zhí)行速度快缺點(diǎn)：I/O指令沒(méi)有存儲(chǔ)器指令豐富，指令功能比較弱內(nèi)存空間I/O空間FFFFFH0FFFFH1、門(mén)電路地址譯碼（與門(mén)、非門(mén)、或門(mén)、與非門(mén)、或非門(mén)）D0~D7A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0數(shù)據(jù)線(xiàn)DBRDWRCS端口譯碼電路0D0~D710000110000&M/IORDWR三、I/O端口地址的譯碼2、譯碼器地址譯碼219H21AH21BH21CH21DH21EH21FH218H74LS138AY0BY1CY2G1Y3Y4G2AY5Y6G2BY7

0110000100&&A0A1A2M/IOA3A4A5A6A7A8A9RDWR10101010110011001111000074LS30與非門(mén)常用的譯碼器有74LS139、74LS138、74LS154等一、直接程序控制方式(程序方式)無(wú)條件傳送方式外部控制過(guò)程的各種動(dòng)作在時(shí)間上是固定的,而且是已知的。條件傳送方式(查詢(xún)方式)傳送前,先查詢(xún)外設(shè)狀態(tài),準(zhǔn)備好才傳送,否則CPU處于等待狀態(tài)。6.3I/O傳送方式1、無(wú)條件傳送方式輸入時(shí)外設(shè)必須已準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，輸出時(shí)接口鎖存器必須為空。即接口和I/O設(shè)備在無(wú)條件傳送時(shí)必須要保持“就緒”狀態(tài)。

NY從狀態(tài)端口讀入狀態(tài)信息從數(shù)據(jù)端口傳送一個(gè)數(shù)據(jù)外設(shè)準(zhǔn)備好否？2、條件傳送方式狀態(tài)端口D4=1表示外設(shè)準(zhǔn)備好TESTAL,10HJZask

MOVDX,218HINAL,DXMOVDX,21CHask:INAL,DX查詢(xún)方式輸入接口三態(tài)緩沖器輸入設(shè)備數(shù)據(jù)線(xiàn)218H

數(shù)據(jù)端口地址譯碼地址線(xiàn)

狀態(tài)端口地址譯碼鎖存器

R

Q

D三態(tài)緩沖器+5vD421CH

STBIORA15~A0D7~D0&&查詢(xún)方式輸出接口MOVDX,21CHask:INAL,DXTESTAL,01h

JNZask

輸出設(shè)備數(shù)據(jù)線(xiàn)219H地址線(xiàn)

鎖存器

RD

Q

三態(tài)緩沖器+5vACKIORA15~A0D7~D0IOW狀態(tài)端口地址譯碼D021CH&&數(shù)據(jù)端口地址譯碼狀態(tài)端口D0=0表示外設(shè)準(zhǔn)備好MOVDX,219HOUTDX,ALMOVDX,21CHask:INAL,DXTESTAL,01h

JNZask

條件傳送方式優(yōu)點(diǎn)：接口簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：CPU不斷查詢(xún)外設(shè)狀態(tài)，降低了CPU的利用率。

為了提高的效率以及使系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性，通常采用中斷方式傳送數(shù)據(jù)。二、中斷傳送方式

中斷傳送方式是指由于某些隨機(jī)事件的產(chǎn)生，使CPU暫停當(dāng)前正在執(zhí)行的程序，而轉(zhuǎn)去處理相應(yīng)的外部事件，執(zhí)行一個(gè)為外設(shè)服務(wù)的I/O程序，執(zhí)行完畢后，CPU返回原來(lái)程序的斷點(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行。

INTA中斷方式輸入接口中斷請(qǐng)求DQ三態(tài)緩沖器&&中斷屏蔽觸發(fā)器Q端口譯碼地址總線(xiàn)RDINTR輸入數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)

輸入鎖存器+5VD0～D7中斷傳送方式優(yōu)點(diǎn)：

CPU和外設(shè)大部分時(shí)間處在并行工作狀態(tài),只在CPU響應(yīng)外設(shè)的中斷申請(qǐng)后，進(jìn)入數(shù)據(jù)傳送的過(guò)程，提高了CPU的效率。缺點(diǎn)：

利用中斷方式傳送數(shù)據(jù)，為了可靠的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，必須花費(fèi)一定的時(shí)間進(jìn)行斷點(diǎn)的保護(hù)和恢復(fù)，現(xiàn)場(chǎng)的保護(hù)和恢復(fù)等工作，浪費(fèi)了CPU很多時(shí)間。因此中斷方式一般適合傳送少量的數(shù)據(jù)及中低速外設(shè)，對(duì)于大量的輸入/輸出數(shù)據(jù)，應(yīng)采用高速的直接存儲(chǔ)器存取方式DMA.三、DMA控制方式(直接存儲(chǔ)器存取方式)實(shí)現(xiàn)方法：

1、由專(zhuān)用接口芯片DMA控制器(稱(chēng)DMAC)控制傳送過(guò)程；2、當(dāng)外設(shè)需傳送數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)

DMAC向CPU發(fā)出總線(xiàn)請(qǐng)求；3、CPU發(fā)出總線(xiàn)響應(yīng)信號(hào)，釋放總線(xiàn)；4、DMAC接管總線(xiàn)，控制外設(shè)、內(nèi)存之間直接數(shù)據(jù)傳送;5、DMA操作結(jié)束，將總線(xiàn)控制權(quán)交還給CPU。DMA

傳送方式過(guò)程CPUDMAC內(nèi)存外設(shè)總線(xiàn)響應(yīng)總線(xiàn)請(qǐng)求DMA傳送方式優(yōu)點(diǎn)：傳送速度快缺點(diǎn)：需用DMA控制器進(jìn)行控制，硬件連接也比較復(fù)雜四、接口設(shè)計(jì)實(shí)例例：顯示器采用7段LED，由BCD-7段譯碼/驅(qū)動(dòng)器所驅(qū)動(dòng)，并采用共陽(yáng)極接法，假定任何時(shí)候至多只有一個(gè)開(kāi)關(guān)閉合。編寫(xiě)一程序段，顯示閉合開(kāi)關(guān)序號(hào)，若無(wú)開(kāi)關(guān)閉合，則顯示器不發(fā)光。74LS24574LS138顯示譯碼/驅(qū)動(dòng)器74LS373+5VK7K0M/IO

A5A4A3A2A1A0

RDD7D0

WRY0ESTB&≥1≥111DATASEGMENTTABDB10H，11H，12H，13H，14H，15H，16H，17HDATAENDSCODESEGMENTASSUMECS:CODE,DS:DATASTART:MOVAX,DATAMOVDS,AXMOVBX，OFFSETTAB