微機輸入輸出系統(tǒng)

微型計算機的三大部分：微處理器（CPU）、存儲器、I/O接口IO設(shè)備與IO接口連接，是微機系統(tǒng)的一個重要組成部分。IO設(shè)備又被稱為外部設(shè)備，簡稱外設(shè)。IO設(shè)備與IO接口合在一起，稱作IO系統(tǒng)。目前一頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點接口接口是指兩個系統(tǒng)或兩個部件間的交接部分，可以是兩種硬件設(shè)備之間的連接電路，也可以是兩個軟件之間公用的邏輯邊界。接口：在微型計算機系統(tǒng)中，CPU與外部設(shè)備之間的聯(lián)系，需要有特定的硬件連接和相應(yīng)的軟件控制。完成這一任務(wù)的軟、硬件綜合稱為接口。接口技術(shù)：對這硬、軟件的設(shè)計，稱為接口技術(shù)。接口（Interface）和端口（Port）是不同的。端口：接口電路中那些完成信息傳送，可由程序?qū)ぶ愤M行讀寫的寄存器。目前二頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點圖8.1I/O接口與總線的連接示意目前三頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點接口的分類從應(yīng)用角度分類：1）用戶交互接口：將來自用戶的數(shù)據(jù)、信息傳送給微計算機、或?qū)⒂脩羲璧臄?shù)據(jù)、信息由處理系統(tǒng)傳送給外部設(shè)備。通常有鍵盤接口、打印機接口、終端顯示接口等。2）輔助操作接口：微型計算機發(fā)揮最基本的處理與控制功能所必須的接口。包括各類總線驅(qū)動器、總線接收器、數(shù)據(jù)鎖存器、三態(tài)緩沖器、時鐘電路、CPU與ROM及RAM接口等。3）傳感接口：輸入被監(jiān)視對象和控制對象變化信息的接口。例如壓力傳感器、溫度傳感器、流速傳感器、測速計等接口。4）控制接口：微計算機對被檢測對象或控制對象輸出信息的接口。例如步進馬達、電磁閥門、繼電器、LED顯示燈等接口。目前四頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點目前五頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點接口的功能數(shù)據(jù)的寄存和緩沖功能

對外設(shè)的控制和監(jiān)測功能

設(shè)備選擇功能

信號轉(zhuǎn)換功能

中斷管理或DMA管理功能

可編程功能

目前六頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點8.1.3CPU與外設(shè)之間傳送的信息

接口的基本組成有三部分：寄存器：數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器、控制命令寄存器控制邏輯電路：包括地址譯碼和設(shè)備選擇電路（用于端口地址分配）、中斷控制邏輯（用于中斷屏蔽、中斷優(yōu)先級等）、讀寫控制電路（用于產(chǎn)生時序）等連接線：主機與接口、接口與外部設(shè)備兩個方向的信號聯(lián)絡(luò)線目前七頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點CPU通過外設(shè)接口同外設(shè)交換的信息有三種數(shù)據(jù)信息（DATA）CPU與外設(shè)交換的數(shù)據(jù)本身：CPU外設(shè)（1）由鍵盤、光電輸入機等輸入的信息，通常是以二進制表示的數(shù)或以ASCII碼表示的數(shù)或字符。（2）模擬量（3）開關(guān)量兩個狀態(tài)的量，可以用“0”、“1”表示，例如：電機的啟與停，開關(guān)的合與開等。非電量信息傳感器電量信號處理U/IA/DCPU(P/T/Q)目前八頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點（4）狀態(tài)信息（STATUS）反映外設(shè)當前工作狀態(tài)的信息：CPU外設(shè)

例如：輸入時，輸入設(shè)備是否準備好？——準備就緒信號READY

輸出時，輸出設(shè)備是否空閑？——忙信號BUSY（5）控制信息（CONTROL）CPU控制外設(shè)工作方式所發(fā)送的一種信息：

CPU外設(shè)

例如：控制I/O設(shè)備啟動或停止等。目前九頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點8.1.4端口地址的編址方式CPU對外設(shè)訪問實質(zhì)上是對外設(shè)接口電路中相應(yīng)的端口進行訪問。I/O端口地址的編址方式有兩種：獨立編址和存貯器映射編址。圖8.3專用的I/O端口編址8.1.4.1獨立編址（專用的I/O端口編址）目前十頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點獨立編址特點：存貯器和I/O端口在兩個獨立的地址空間中，I/O端口不占用存貯器空間，I/O端口的讀、寫操作由硬件信號IOR和IOW來實現(xiàn)，訪問外設(shè)端口用專用的IN指令和OUT指令。優(yōu)點：I/O端口的地址碼較短、地址譯碼器較簡單；端口操作指令長度短，指令執(zhí)行時間少；端口操作指令形式上與存貯器操作指令不同，使程序編制和閱讀較清晰。缺點：需要有專用的I/O指令，而這些指令的功能一般不如存貯器訪問指令豐富，所以程序圖8.3專用的I/O端口編址設(shè)計的靈活性較差。目前十一頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點存貯器映射編址（統(tǒng)一編址）圖8.4存儲器映射的I/O端口編址目前十二頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點存儲器映射編址特點：存儲器和I/O端口共用統(tǒng)一的地址空間；地址空間分配給I/O端口以后，存貯器就不能再占有這一部分的地址空間。優(yōu)點：

1）不需要專用的I/O指令，編程靈活。

2）I/O端口的地址空間是內(nèi)存空間的一部分，可使得外設(shè)的數(shù)目不受限制。缺點：1）I/O端口占用了內(nèi)存空間的一部分，影響系統(tǒng)內(nèi)存容量。2）訪問內(nèi)存時的地址長，指令的機器碼也長，執(zhí)行時間增加，端口地址譯碼電路復(fù)雜。目前十三頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點8.2I/O端口讀寫技術(shù)本節(jié)以獨立編址的微機為例當CPU執(zhí)行IN或OUT指令時，就進入輸入/輸出總線周期1）地址信號有效2）I/O端口讀寫信號有效IOR、IOW有效地址經(jīng)譯碼后的信號（端口譯碼選中信號）+控制信號=端口讀寫選擇信號。2）控制信號：除IOR或IOW信號外，還有區(qū)分是DMA傳送還是非DMA傳送的AEN信號。還可用信號控制端口奇偶地址BHE信號，用該信號控制是8位還是16位I/O端口。目前十四頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點8.2.1I/O端口地址譯碼技術(shù)端口地址分為兩部分：1）片間尋址將高位地址與CPU的控制信號組合，經(jīng)譯碼電路產(chǎn)生I/O接口芯片片選信號CS。2）片內(nèi)尋址低位地址線直接連到I/O芯片，實現(xiàn)I/O接口芯片的片內(nèi)尋址，即訪問片內(nèi)的端口。地址譯碼分類1）譯碼電路的形式：固定式和可選式譯碼。2）按譯碼采用的元器件分為門電路譯碼和譯碼器譯碼74LS138譯碼器。3）按端口與地址的對應(yīng)關(guān)系分為全譯碼方式與部分譯碼方式。目前十五頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點利用門電路進行地址譯碼（固定端口譯碼）端口地址為34EHA9A8A7A6A5A4A3A2A1A01101001110且AEN為低則CS有效目前十六頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點譯碼器譯碼（全地址譯碼固定式端口地址）

注：IBMPC只用10根地址線，A15~A10不用端口地址為340H~347HG1A6A8A9111G2BA3A4A5A70000A0A1A2000111目前十七頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點部分譯碼法

地址重疊：一個譯碼輸出（Yi）對應(yīng)若干個端口地址與上圖Y0對應(yīng)的端口地址范圍為00~1FH目前十八頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點8.2.1.2開關(guān)式可選端口地址譯碼圖8.8開關(guān)式可選端口地址譯碼這種譯碼方式可以通過開關(guān)使接口卡的I/O端口地址根據(jù)要求加以改變而無需改動線路。當P=Q時，“P=Q”輸出低電平目前十九頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點8.2.2I/O端口讀/寫控制I/O端口的讀寫主要通過I/O讀/寫信號地址譯碼輸出信號共同作用，實現(xiàn)端口中信息的讀出與寫入。8.2.2.1端口寄存器的寫操作CPU向外部輸出數(shù)據(jù)時要進行端口寫操作（即執(zhí)行輸出指令）通常選用D觸發(fā)器之類的芯片作為寄存器。在寫入控制CP出現(xiàn)上升沿時，就將D端數(shù)據(jù)寫入Q端CP端用包含AEN信號的地址譯碼信號Y240H控制。目前二十頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點端口寄存器的寫操作

在寫入控制端CP出現(xiàn)上升沿時，就可將D端數(shù)據(jù)寫入Q端。CP端用包含AEN信號的地址譯碼信號和結(jié)合起來控制

目前二十一頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點8.2.2.2端口讀操作

只有對該寄存器占用的端口進行讀操作時，才打開三態(tài)門，將數(shù)據(jù)送上總線；其他時間，三態(tài)門處于高阻狀態(tài)。常用的三態(tài)緩沖器是74LS244

目前二十二頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點利用端口讀寫提供控制脈沖

目前二十三頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點對上圖編程目前二十四頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點8.3I/O設(shè)備數(shù)據(jù)傳送控制方式

計算機操作中，數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是數(shù)據(jù)傳送的控制方式。數(shù)據(jù)傳送方式分為：程序控制傳送方式，中斷控制方式，DMA方式和IOP（輸入輸出處理機）方式。

程序控制方式分為：1）無條件傳送2）查詢傳送3）中斷傳送特點：CPU控制數(shù)據(jù)傳送，速度較低，輸入輸出響應(yīng)較慢目前二十五頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點直接存儲器訪問DMA存儲器與I/O設(shè)備之間直接傳輸數(shù)據(jù)，傳輸過程不需要CPU干預(yù)，由一個DMA控制器加以控制CPU所要做的工作僅僅是對DMAC進行初始化，包括：I/O數(shù)據(jù)在存儲器中的地址、傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)以及數(shù)據(jù)的傳輸方向I/O處理機專門負責處理I/O數(shù)據(jù)傳送目前二十六頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點8.3.1無條件傳送方式又稱“同步傳送方式”，它適合于外設(shè)總是處于準備好的情況。I/O指令插入到程序中，當程序執(zhí)行到該I/O指令時，外設(shè)必定已為傳送數(shù)據(jù)做好了準備，于是在此指令時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳送任務(wù)。目前二十七頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點無條件傳送方式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)目前二十八頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點8.3.2查詢傳送方式無條件傳送方式可以用來處理開關(guān)設(shè)備，但不能用以處理許多復(fù)雜的機電設(shè)備，如打印機。查詢傳送方式就是在傳送前先查詢一下外設(shè)的狀態(tài)，當外設(shè)準備好了才傳送；若未準備好，則CPU等待。目前二十九頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點8.3.2.1查詢式輸入CPU先從狀態(tài)口輸入外設(shè)的狀態(tài)信息，檢查外設(shè)是否準備好數(shù)據(jù)。若未準備好，則CPU進入循環(huán)等待，只有數(shù)據(jù)準備好后CPU才退出循環(huán)，輸入數(shù)據(jù)。查詢式輸入除了必須配備數(shù)據(jù)口外，還必須配備狀態(tài)口，狀態(tài)口只用1位，指出數(shù)據(jù)是否準備好。圖8.16查詢式輸入程序流程圖圖8.17查詢式輸入的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息目前三十頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點查詢式輸入接口電路當輸入裝置的數(shù)據(jù)準備好后，發(fā)出一個選通信號。鎖存器輸出端連接數(shù)據(jù)口的輸入端，數(shù)據(jù)口的輸出端接系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線。狀態(tài)口的輸出也連接至系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線中的某一條。 POLL:movdx,statusportinal,dxtestal,80hjepollmovdx,dataportinal,dx

圖8.16查詢式輸入的接口電路目前三十一頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點8.3.2.2查詢式輸出查詢式輸出時，CPU必須查外設(shè)的BUSY狀態(tài)，看外設(shè)的數(shù)據(jù)緩沖是否已空。若緩沖區(qū)空,則BUSY為假，CPU執(zhí)行輸出指令；否則BUSY為真，CPU等待。圖圖8.19查詢式輸出程序框圖圖8.20查詢式輸出的端口信息目前三十二頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點查詢式輸入接口電路輸出裝置把CPU輸出的數(shù)據(jù)輸出后，發(fā)一個ACK信號，使D觸發(fā)器清零，即：BUSY線變?yōu)椤?”。CPU就執(zhí)行指令。在AEN，I/OW和譯碼器輸出信號共同作用下，數(shù)據(jù)鎖存到鎖存器中，同時使D觸發(fā)器置”1”。一方面通知外設(shè)數(shù)據(jù)已準備好，可以執(zhí)行輸出，另一方面在輸出裝置尚未完成輸出前，一直維持BUSY=1。圖圖8.21查詢式輸出接口電路目前三十三頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點查詢輸出部分程序POLL:MOVDX,STATUSPORT;DX=狀態(tài)口地址INAL,DX;輸入狀態(tài)信息TESTAL,80H;檢查BUSYJNEPOLL;BUSY則準備輸出數(shù)據(jù)MOVDX,DATAPORT;否則準備輸出數(shù)據(jù)MOVAL,BUFFER;從緩沖區(qū)取數(shù)據(jù)OUTDX,AL;輸出數(shù)據(jù)目前三十四頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點例：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖圖8.22查詢式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)目前三十五頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點數(shù)據(jù)采集程序START:POLL:MOV DL,0F8H;設(shè)置啟動A/D轉(zhuǎn)換信號IN AL,DL;輸入狀態(tài)信息MOV DI,SEGDSTORTSHRAL,1MOV ES,DIJNC POLLCLDIN AL,3AGAIN:STOSB;存至內(nèi)存MOV AL,DLINC DL;修改多路開關(guān)控制信號AND AL,0EFH;使D4=0JNE AGAINOUT 4,AL;停止A/D轉(zhuǎn)換CALL DELAY;等待MOV AL,DLOUT 4,AL;啟動A/D轉(zhuǎn)換目前三十六頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點8.3.3中斷傳送方式1.基本思路：在中斷傳送方式中，通常是在程序中安排好在某一時刻啟動某一臺外設(shè)，然后CPU繼續(xù)執(zhí)行其程序；當外設(shè)完成數(shù)據(jù)傳送的準備后，向CPU發(fā)出“中斷請求”信號；在CPU可以中斷的情況下，現(xiàn)行主程序被“中斷”，轉(zhuǎn)去執(zhí)行“中斷服務(wù)程序”；在“中斷服務(wù)程序”中完成一次CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送，傳送完后返回被中斷的主程序，從中斷處繼續(xù)執(zhí)行。目前三十七頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點中斷控制電路功能能控制多個中斷源實現(xiàn)中斷傳送。能對多個中斷源同時發(fā)出的中斷請求進行優(yōu)先級辨別。能實現(xiàn)中斷嵌套。能提供對應(yīng)中斷源的中斷矢量。目前三十八頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點3.中斷傳送方式的接口當輸入裝置準備好數(shù)據(jù)后，發(fā)選通信號，把數(shù)據(jù)存入鎖存器，并使D觸發(fā)器為”1”，表示外設(shè)已經(jīng)準備好。D觸發(fā)器申請中斷，CPU接受后，等現(xiàn)行指令執(zhí)行完，即停止在執(zhí)行的程序，并發(fā)出中斷響應(yīng)信號INTA。在INTA信號的作用下，中斷控制器把屬于該外設(shè)的中斷矢量送上數(shù)據(jù)總線供CPU讀取。CPU讀取中斷矢量，獲得中斷服務(wù)程序入口地址，進而轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序輸入數(shù)據(jù)，同時清除中斷請求標志。中斷處理完，CPU返回中斷的程序繼續(xù)執(zhí)行。圖圖8.23中斷傳送接口電路目前三十九頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點8.3.4DMA(直接存儲器存取)方式1.DMA傳送原理DMA方式是直接用硬件控制數(shù)據(jù)在外設(shè)和存儲器之間傳送。CPU首先DMA控制器初始化，告訴其數(shù)據(jù)的傳送方向，當外設(shè)準備好數(shù)據(jù)時，DMAC向CPU發(fā)出總線請求，讓其暫讓總線控制權(quán)。CPU響應(yīng)后讓出總線并通知DMAC。DMAC收到后驅(qū)動總線并發(fā)出讀寫信號，進行連續(xù)的數(shù)據(jù)傳送，完成后把總線交還給CPU。目前四十頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點2.DMACD基本功能(1)能接受外設(shè)的DMA請求信號DREQ，并能向外設(shè)發(fā)出DMA響應(yīng)信號DACK。(2)能向CPU發(fā)出總線請求信號HRQ，當CPU發(fā)出總線響應(yīng)信號HLDA后能接管對總線的控制權(quán)，進入DMA方式。(3)能發(fā)出地址信息對存儲器尋址并能修改地址指針。(4)能發(fā)出讀寫等控制信號，包括存儲器訪問信號和I/O訪問信號。(5)能決定傳送的字節(jié)數(shù)，并能判斷DMA傳送是否結(jié)束。(6)能發(fā)出DMA結(jié)束信號，釋放總線，使CPU正常工作。目前四十一頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點3.DMAC結(jié)構(gòu)圖圖8.24DMA控制器方框圖目前四十二頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點DMA工作波形圖圖8.25DMA工作過程波形圖目前四十三頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點8.3.5IOP(輸入輸出處理機)方式IOP不是一臺獨立的計算機，而是計算機系統(tǒng)中的一個部件。IOP可以和CPU并行工作，提供高速的DMA處理能力，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳送。此外，有些IOP還提供數(shù)據(jù)的變換，搜索和字裝配/分拆能力。

圖8.268089IOP的基本結(jié)構(gòu)目前四十四頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點8.4簡單的輸入/輸出接口芯片8.4.1芯片功能簡介在外設(shè)接口電路中，經(jīng)常需要對傳輸過程中的信息進行放大、隔離以及鎖存，能實現(xiàn)上述功能的接口芯片最簡單的就是緩沖器、數(shù)據(jù)收發(fā)器和鎖存器。目前四十五頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點8.4.1.1