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1、第8章 输入输出接口技术,本讲内容基本概念 I/O端口的编址 输入输出的基本方法：无条件、查询、中断、DMA,什么是I/O接口（电路）？I/O接口是位于系统与外设间、用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路，I/O接口就是CPU与外设的连接部件。PC机系统板的可编程接口芯片、I/O总线槽的电路板（适配器）都是I/O接口电路,接口在CPU与外设之间,I/O接口的基本结构示意图,为什么需要接口电路?,1。外部设备的种类多种多样。2。传输的信息也有多种的。3。速度的相差更大。 所以就需要在计算机与外部设备之间设置一种部件，使CPU和外部设备的工作协调起来，有效地完成输入输出任务。这种部件称为输入输出
2、接口。,I/O接口要解决的问题速度匹配(Buffer)信号电平和驱动能力(电平转换器、驱动器) 信号形式匹配(A/D、D/A) 信息格式(字节流、块、数据包、帧) 时序匹配(定时关系)总线隔离(三态门),I/O地址译码与设备选择把选中的与总线相接，未选中的与总线隔离（高阻态） 数据的缓冲与暂存缓解接口与CPU工作速度的差异 输出接口有锁存环节 输入接口有缓冲环节对外设进行监测、控制与管理，中断处理信号电平与类型的转换形式、格式、电平、功率、码制等,I/O接口的功能,什么是微机接口技术？,处理微机系统与外设间联系的技术 注意其软硬结合的特点 根据应用系统的需要，使用和构造相应的接口电路，编制配套
3、的接口程序，支持和连接有关的设备,接口电路交换的信息：,数据信息。控制信息。状态信息。,I/O端口： I/O信息的三种类型：数据、命令、状态。 传送这三类信息的通道分别称为：数据端口(I、O)、命令端口(O)、状态端口(I)。不同外设具有的端口数各不相同，计算机中为每一个端口都赋予一个惟一编号称为端口地址(或端口号)。端口有两种编址方式：统一编址和独立编址。,I/O接口的编址方式,定义 把外设接口与内存统一进行编址。各占据统一地址空间的不同部分。优点指令统一，灵活；访问控制信号统一，使用同一组的地址/控制信号。 缺点内存可用地址空间减小例如: MCS-51单片机,0,地址空间(共1MB),内存
4、地址(960KB),I/O地址(64KB),FFFFFH,EFFFFHF0000H,1. 统一编址,定义: 外设地址空间和内存地址空间相互独立。优点：内存地址空间不受I/O编址的影响缺点：I/O指令功能较弱，使用不同的读写控制信号,00000H,内存地址空间,内存空间(1MB),I/O空间(64KB),FFFFH,FFFFFH,I/O地址空间,0000H,2. 独立编址,例如: 8088/8086 微机系统,采用I/O独立编址方式(但地址线与存储器共用)地址线上的地址信号用 来区分： /0 时为I/O地址/M地址I/O操作只使用20根地址线中的16/8根：A15/7 A0可寻址的I/O端口数为
5、64K(65536)/256个I/O地址范围为0FFFFH/0FFHIBM PC只使用了10根 A9 A0 1024个I/O地址(03FFH) 原因: 够用为度, 简化电路,8088/8086 CPU的I/O编址方式,、 、 A15 A0 OUT指令 将使总线的 信号有效 IN 指令 将使总线的 信号有效 当接口只有1个端口(仅数据口,无状态口和控制口)时，16位地址线一般应全部参与译码，译码输出直接选择该端口； 下面先介绍这种简单情况 当接口具有多个端口时，则16位地址线的高位参与译码（决定接口的基地址），而低位则用于确定要访问哪一个端口。,I/O端口地址的译码,例如： 某外设接口有4个端口
6、(如8255/8253)，地址为2F0H2F3H，则其基地址为2F0H，由A15A2译码得到，而A1、A0用来确定4个端口中的某一个。请思考: A0A15=?,I/O接口(4端口),A0,A1,CS,译码器,A0,A1,A2A15,I/O接口(1端口),CS,译码器,A0A15,并行定义: 一个数据单位(通常为字节)的各位同时传送特点: 速度快、距离短、成本高例如：PC机的并行接口(通常用于连接打印机)串行定义: 数据按位进行传送特点: 速度慢、距离远、成本低例如： PC机的串行接口(通常用于串行通信),I/O数据的传送方式,CPU与外设间的数据传送方式,I/O接口电路基础：三态缓冲器/锁存器
7、问题：CPU与外设的工作速度不一致，尤其是当外设由其他CPU或时序电路控制时更加明显，应如何解决效率和可靠性。,数据传送控制：使两者高效、可靠地进行数据传送,(1) 无条件传送方式(2) 条件传送方式 ( 查询方式 )(3) 中断传送方式(4) DMA传送方式 ( Direct Memory Access ) 存贮器直接存取方式,四种传送方式,(程序方式),无条件传送方式 (同步传送方式),实现方法 CPU不查询外设工作状态， 与外设速度的匹配通过在软件上延时完成， 在程序中直接用I/O指令，完成与外设的数据传送特点 1. 适用于外设动作时间已知， 前提：CPU与外设进行数据传送时，外设保证已
8、准备好。如开关、发光器件(如发光二极管、7段数码管、灯泡等)、继电器、步进电机等。 2. 软硬件十分简单。,(程序方式之一),典型无条件传送方式接口电路（输入）,该电路在CPU执行指令(当外设开关准备好后-开关动作时间固定) MOV DX, 284H IN AL, DX功能: 将输入设备的数据读入CPU内AL中,图中译码电路的作用：只当A15A0上出现284H时，（即0000 0010 1000 0100B）输出0，其他输出1。,74LS244 E1/E2,例: 开关,典型无条件传送方式接口电路（输出）,图中译码电路的作用：只当A15A0上出现288H时，（即0000 0010 1000 10
9、00B）输出0，其他输出1。,例:LED指示灯,74LS273,条件传送方式(查询传送方式),实现方法： 在与外设进行传送数据前，CPU先查询外设状态，当外设准备好后，再才执行I/O指令，实现数据传送。特点： 1. CPU通过不断查询外设状态，实现与外设的速度匹配; 2. CPU的工作效率低，响应速度慢; 3. 适用于简单、慢速的或实时性要求不高的外设.,(程序方式之二),编程流程,状态信号,数据信号,I/O接口,查询方式输入接口电路,状态端口 D7=1 表示外设准备好,输入装置,+5v,STB,MOV DX, 288HIN AL, DX,MOV DX, 28CHIN AL, DX,D0:D7
10、,READY,编程从外设读入50H个字节到内存缓冲区buffer中,流程图,STATUS EQU 28CH MOV AX, SEG buffer ;取缓冲区首地址 MOV DS, AX LEA DI, buffer MOV CX, 50H ;传送个数 next: MOV DX, STATUS ask： IN AL, DX ;从状态端口读入状态信息 TEST AL, 1000 0000B ;80H, 检测D7位 JZ ask ;D7=0,继续查询MOV DX, 288H IN AL, DX ;从数据端口读入数据MOV DI, AL ;送缓冲区 INC DI ;修改缓冲区指针 LOOP next
11、;传送下一个.,查询方式输入程序片段,思考: 若状态口和数据口为83H和80H,则程序应如何修改?,状态信号,数据信号,I/O接口,查询方式输出接口,状态端口 D0 = 0 表示外设准备好,MOV DX, 288HOUT DX, AL,MOV DX, 28CHIN AL, DX,READY (BUSY),编程将缓冲区buffer的80H个字节输出到外设,条件查询输出流程图,STATUS_PORT EQU 28CHDATA_PORT EQU 288H MOV AX, SEG buffer ;取缓冲区首地址 MOV DS, AX LEA SI, buffer MOV CX, 80H ;传送个数 n
12、ext: MOV DX, STATUS_PORT ask： IN AL, DX ;从状态端口读入状态信息 TEST AL, 0000 0001B ;检测D0位 JNZ ask ;D0=1,继续查询 MOV AL, SI ;从缓冲区取数 MOV DX, DATA_PORT OUT DX, AL ;从数据端口输出数据 INC SI ;修改缓冲区指针 LOOP next ;输出下一个 .,查询方式输出程序片断,中断传送方式,实现方法： 1. 当外设准备好，向CPU发出中断请求 2. CPU在满足响应中断的条件下，发出中断响应信号； 3. CPU暂停当前的程序，转去执行中断服务程序， 完成与外设的数据
13、传送； 4. CPU从中断服务程序返回，继续执行被中断的程序,中断方式下CPU执行程序流程,硬件中断-NMI 与INTR两根线申请中断(与CALL差别大)软件中断-INT n与INTO指令(与CALL功能类似),时间随机两者无关,1. CPU和外设大部分时间处在并行工作状态, 只在CPU响应外设的中断申请后， 进入数据传送的过程。2. 中断传送方式提高了CPU的效率。3. 对外设的请求能作出实时响应, 可处理故障。4. 适于实时、快速、复杂的外设，但不适用于大量、高速频繁数据交换DMA。,中断传送方式的特点,DMA传输方式,前面3种I/O方式共性: 都需要CPU作为中介： 外设 CPU 内存
14、两个含义：1）软件：外设与内存之间的数据传送是通过CPU执行程序来完成的（PIO方式）；2）硬件：I/O接口和存储器的读写控制信号、地址信号都是由CPU发出的（总线由CPU控制）。 缺点：程序的执行速度限定了传送的最大速度（约为几十KB/秒） 解决办法：DMA传输 外设 内存,DMAC,DMA 传送方式(直接存储器存取方式),实现方法 1. 由专用接口芯片DMA控制器 (称DMAC) 控 制传送过程， 2. 当外设需传送数据时，通过DMAC向 CPU发出总线请求HOLD ； 3. CPU发出总线响应信号HLDA，释放总线； 4. DMAC接管总线，控制外设、内存之间直 接数据传送,DMA 传送
15、方式过程,(i8237),DMAC内部包括四个基本寄存器,地址寄存器：用于存取下一个要访问的内存单元的地址，地址寄存器的内容加1或减1操作，取决于DMAC的设计字节计数器：用于存放尚未传送完毕字节的数量，字节计数器在DMA过程中自动作减1操作控制寄存器：用于对DMAC操作的控制状态寄存器：反映DMAC当前所处的状态，例如，数据块传输是否结束等状态信息,DMA传送流程：,1. 外设和内存之间，直接进行数据传送， 不通过CPU, 传送效率高。 适用于在内存与高速外设、 或两个高速外设之间进行大批量数据 传送。 2. 电路结构复杂，硬件开销较大。,DMA传送方式的特点,几种数据传送方式特点？,无条件传送：慢速外设需与CPU保持同步查询传送： 简单实用，效率较低，硬件开销小中断传送：外设主动，可与CPU并行工作，但中断服务保护现场等需要额外时间开销，需要硬件开销进行中断管理DMA传送：DMAC控制，外设直接和存储器进行数据传送，适合大量、快速数据传送,需要硬件开销,
