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1、第7章 输入与输出（I/O）,本章主要教学内容 输入输出接口的基本概念 I/O端口的寻址方式 输入/输出数据的传输控制方式,本章教学目的及要求掌握输入/输出接口电路的基本概念；掌握I/O端口的编址方法和特点及其地址译码方法；了解PC机的 I/O端口地址分配情况；掌握CPU与外设数据传送的控制方法。,7.1 输入输出（I/O）接口的基本概念,程序、原始数据和各种现场信息需要输入计算机；计算结果或给出的各种控制信号需要输出进行显示、打印和实现动作控制；CPU与外设之间的信息交换需通过I/O接口来实现。,CPU,RAM,ROM,I/O接口,I/O接口,I/O接口,I/O接口,外存,输入设备,输出设备
2、,过程通道,7.1.1 I/O接口的定义及功能,1.I/O接口的定义接口的基本意思是交接界面（Interface），在计算机中指不同硬件或软件之间的连接部分；I/O接口指设置在主机与外设之间，使两者协调工作的连接电路；I/O接口在CPU和外设之间建立一个缓冲隔离区，解决两者在数据形式、数据的传递方式以及传输速率等方面存在很大差异的矛盾。,2.I/O接口的功能实现数据传送及相应的控制，具体包括：信号暂存 格式转换 传送路径的切换控制状态信号的交换设备动作控制中断管理错误检测 不同接口电路由于使用方式及功能要求各异，所以复杂程度存在较大差异，可包含上述的一种或几种功能。,7.1.2 接口电路中的信
3、息,数据信息是CPU与外设交换的基本信息和最终目的，通常是8位和16位。根据类型可分为：数字型，模拟型，开关型及脉冲型等；数据的传送可以是输入，也可以是输出。状态信息反映外设当前的工作状态。对于输入设备，通常用数据准备就绪（READY）表示待输入数据已准备好；对于输出设备，通常用忙碌（BUSY）表示外设是否处于空闲状态；状态信息通过接口送往CPU，CPU在数据就绪和外设不忙的情况下才进行I/O操作。控制信息是用于控制接口和外设工作的信息。控制信息由CPU送给接口和外设。,7.1.3 端口的概念,接口电路中传输的数据、状态和控制信息是不同性质的信息，需要区别对待；CPU通过接口与外设交换信息时，
4、对于三种不同性质的信息都用相同的IN、OUT指令以数据的形式通过数据总线进行传递；CPU与多个接口电路相连接，某一时刻只能与一个外设交换一种信息。接口中要分别设计存储不同信息的寄存器，即端口；每个端口都有自己独立的地址；复用端口通过操作顺序或数据特定标志位加以区分；接口电路的硬件设计对编程不可见，编程时需要清楚端口的分配及其相应的功能。,数据输入寄存器,数据输出寄存器,状态寄存器,控制寄存器,地址译码,控制电路,外部设备,CB,AB,DB,数据,状态,控制,7.1.4 接口的类型,接口电路种类繁多，功能各异；按通用性划分：专用接口，如显卡、声卡、网卡、键盘和鼠标控制器、以及软、硬盘控制器等；通
5、用接口可供多种外设使用，如8255A、8251A等。按数据传送方式划分：并行接口和串行接口；按复杂程度划分：大规模集成的，具有标准、系列、智能等特点；分立元件的，自行设计；接口电路设计存在多种规范，如LPT、COM、USB（板载）和扩展槽的使用，PnP技术等等。,7.2 I/O端口的寻址方式,7.2.1 I/O端口的编址1.I/O端口和存储器统一编址端口地址和存储单元地址共同占用存储器的访问空间；端口输入和输出操作等同于存储器的读和写操作；优点：不用设置专用的I/O命令；CPU可以用访存命令，以及各种操作数寻址方式对I/O端口操作；缺点：在地址总线根数一定的情况下，使系统中实际可以直接寻址的内
6、存单元数减少；指令代码较长（端口地址字节多），对提高系统的运行速度不利。,00000H,I/O端口编址空间,内存空间,FFFFFH,2.I/O端口独立编址端口地址和存储单元地址分别建立在各自的地址空间，独立寻址；CPU要用专门的I/O指令访问I/O端口。8088CPU采用I/O端口独立寻址：最小方式时用M/IO信号区分是访问存储器还是IO；最大方式时，用MWRC和MRDC访问存储器，用IOWC和IORC访问端口。,I/O,空间,0000H,FFFFH,00000H,内存空间,FFFFFH,1MB,64KB,7.2.2 I/O端口地址译码方法1.直接地址译码（固定式）按分配给某接口的地址区域，对
7、部分高位地址译码产生对该接口包含各寄存器（端口）的组选信号，再由低位地址对组内端口译码寻址。,G1 Y0G2AG2BCBA,IOWC,A5,A6,A7,AEN,A9,A8,LS02&,LS02&,DMA CS,INTR CS,T/C CS,PPI CS,NMI 屏蔽寄存器,DMA 页面寄存器,IBM PC系统板上的接口地址译码电路,分立元件译码电路,2E0H2E1H,2.SWITH可选地址译码 这是一种灵活的地址译码方法，采用SWITCH开关选择不同的地址组，并通过比较电路确定其中一组地址。,P0,P7,G,Q0,Q7,+5V,+5V,8.2K6,C,B,A,G1,G2A,G2B,Y0,Y7,
8、C,B,A,G1,G2A,G2B,Y0,Y7,+5V,P=Q,LS688,LS138,LS138,IOWC,IORC,A0,A1,A2,AEN,A9,A3,74LS688是8位相等比较器；DIP开关设置Q5Q0为高或低；地址总线A8A3接至P5P0；Q6接高电平，Q7接地。当A91，AEN0，且P和Q对应输入相同时，74LS688输出低电平，用此电平控制两个74LS138的输入控制端G2A；用IORC和IOWC分别控制G2B端，则可对DIP开关设置的地址范围内的8个地址进行译码。DIP开关方便用户设定端口地址。,7.2.3 IBM PC/XT机的I/O端口地址 IBM PC/XT机用A9A0十
9、根地址线译码，形成1KB端口地址；当A90，对应端口地址000H1FFH的512B端口分配给系统板上的I/O芯片，包括保留部分；当A91，对应端口地址200H3FFH是扩展槽的I/O地址；实际电路中A4未参加译码，有映像地址问题，不能误用这些地址。,IBM PC/XT机系统板I/O端口地址分配表,IBM PC/XT机扩展槽I/O端口地址分配表,7.3 CPU与外设之间数据传输的控制方式,CPU与外设通过接口交换信息控制方式有：,程序控制方式 中断方式 直接存储器存取方式 I/O处理机方式,7.3.1 程序控制方式,用输入/输出指令（IN、OUT）控制信息的传输，是一种软件控制方式。根据程序控制
10、的方法不同，可分为：,无条件传送控制方式 条件传送控制方式,1.无条件传送控制方式,利用程控方式与外设交换信息时，如果在输入/输出时刻，可以保证外设总是处于“准备好”状态，则可以直接利用输入/输出指令进行信息的输入/输出操作。,三态缓冲器,锁存器,端口地址译码器,&,&,D7-D0,RD,WR,M/IO,A9-A0,来自外设,到外设,输入：加三态缓冲器，控制端由地址译码信号和RD信号选中，CPU用IN指令；输出：加锁存器，控制端由地址译码信号和WR信号选中，CPU用OUT指令；硬、软件设计都比较简单，但应用的局限性较大，因为很难保证外设在每次信息传送时都处于“准备好”状态；一般用在如开关控制、
11、七段数码管的显示控制等场合。,2.条件传送控制方式（查询传送）,在CPU与外设工作不同步时可采用条件传送，即数据传送前，先通过程序查询外设的状态，若状态不符合，则CPU不能进行输入/输出操作，需要等待；只有当状态信号符合要求时，CPU才能进行相应的输入/输出操作；这种控制方式中，外设要提供反映其状态的信号：输入设备：提供“准备好”（“READY”）信号，1 表示输入数据已准备好；输出设备：提供“忙”(“BUSY”)信号，1表示当前时刻不能接收CPU来的数据，只有当“BUSY”0时，才表明可以接受来自于CPU的输出数据。,（1）查询输入,输入设备数据准备好，发选通信号，使数据送入锁存器并使状态触
12、发器为“1”，给出“准备好”信号READY；CPU输入数据前，先从状态端口读取状态信息，判断数据是否准备好，准备好，从数据端口输入数据并使状态触发器清“0”。,（2）查询输出,输出设备将CPU送来的数据取走后发出一个应答信号ACK，使状态触发器置“0”，表示输出设备“不忙碌”；CPU输出数据前，从状态端口检测该信息，若设备不忙碌则将数据送入数据端口并将状态触发器置“1”，一方面通知输出设备数据已经送出可以操作，另一方面告知CPU外设正处于忙碌状态，不能输出数据。,（3）查询传送的端口信息及程序流程,数据端口（8位）,状态端口（1位）,“READY”（1位）,输入,输入,数据端口（8位）,状态端
13、口（1位）,“BUSY”（1位）,输出,输入,输入状态信息,READY?,输入数据,N,Y,输入状态信息,BUSY?,Y,N,准备输出数据,输出数据,当CPU需要对多个设备进行查询服务时，就出现了优先级问题，即究竟先为哪个设备服务；一般采用轮流查询的方式来解决，所以先被查询的设备具有较高的优先级；这种优先级管理方式存在着一个问题，即某设备的优先级会发生变化；为实现各设备之间固定的优先服务顺序，需要在程序设计中使用标志位或其他判定方法。,（4）查询传送中多设备服务的优先级,（5）查询传送控制方式的特点,优点：接口简单，无需专用硬件就能较好的协调外设与CPU之间的速度差异，保证输入/输出数据的正确
14、性。缺点：工作过程中，CPU始终处于主动地、不断地检测和判断外设状态的循环工作中，使CPU不能做其他工作，降低了CPU的工作效率，而且在许多实时性要求很高的控制系统中，这种工作方式无法满足及时处理的要求。,7.3.2 中断控制方式,CPU启动外设后，就去做自己的工作，外设和CPU并行工作；当外设数据准备就绪（READY=1或BUSY0），要求与CPU交换信息时，就向CPU发来中断请求信号；CPU在满足一定的条件下，暂停执行当前正在执行的主程序，转入执行相应的中断服务程序程序；在中断服务程序中，CPU与外设交换数据；待输入/输出操作执行完毕之后CPU即返回继续执行原来被中断的主程序。,（1）中断
15、控制方式基本电路（数据输入）,高速外设或多外设,当外设准备好数据供CPU输入时，发出选通信号，使数据存入输入锁存器，同时使中断请求触发器置1；若中断屏蔽触发器不屏蔽，则向CPU发出中断请求信号INT；CPU收到中断请求信号后，若CPU内部中断允许触发器状态为1，则在当前指令执行完后响应中断。,（2）中断控制方式的特点,优点：中断控制方式变CPU主动查询外设状态的方式为CPU被动响应，当有多个外设要求服务时，CPU可以及时作出响应；缺点：中断控制方式在提高CPU工作效率的同时，会增加系统的硬件开销（中断控制器）；中断控制方式的数据输入/输出过程依靠CPU执行中断服务程序来完成，每传送一个数据需要
16、中断一次，同时执行一次现场保护、中断处理、恢复断点等操作，这些操作要花去大量时间，所以在进行高速、大量数据传送时，不能满足要求，严重时会丢失数据。,7.3.3 直接存储器存取（DMA）控制方式,DMA控制方式是一种由硬件完成（DMA控制器）输入输出操作的工作方式（需要事先编程）；DMAC从CPU接管系统总线的控制权，使存储器与高速外设之间（可以扩展为存储器不同区域或两个外设之间）直接进行数据交换，CPU不需干预，从而大大加快了数据传输的速度。,（1）DMA控制方式的工作过程,外设向DMAC发出DMA请求；DMAC向CPU发总线请求信号；CPU执行完现行总线周期后，向DMAC发出响应请求回答信号
17、；CPU将系统总线让出，处于空闲状态，由DMAC进行控制；DMAC向外设发出DMA请求回答信号DACK；进行DMA传送，其中DMA传送的内存地址和数据字节数由事先对DMAC编程设置；DMA数据传送完毕，DMAC撤销向CPU的请求信号，CPU重新控制总线，恢复正常运行。,传送数据,结束?,N,Y,发存储器地址,DMA结束，交回总线,CPU响应，让出总线,外设发出DMA请求,修改地址指针,CPU继续运行,（2）DMA控制方式的特点,优点：DMA操作过程中没有程序的介入，CPU内各寄存器内容无需保护，所以CPU的时间利用率大大提高；适用于高速、大量数据传输的场合。缺点：需要增加专门的硬件控制电路，称
18、为DMA控制器，其复杂程度与CPU相当；DMA操作期间，CPU处于停机状态（取决于DMA总线请求信号保持时间），所以会对中断的响应、动态存储器的刷新有影响，实际使用必须加以考虑。,7.3.4 I/O处理机（IOP）控制方式,通信结构的IO处理机，是协助主机工作的部件；IOP可以和CPU并行工作，提供高速的DMA处理能力，实现数据的高速传送；有些IOP还可提供数据变换、搜索和字符装配/分解的能力。8086/8088微机系统中可以选择使用的Intel8089就是一种通道型IOP，它有自己的指令系统，其主要功能是预置和管理外设、支持通常的DMA操作，可以对传送数据进行交换、屏蔽、比较等操作，从而大大
19、减轻CPU在I/O处理过程中的开销，有效提高整个系统的性能；,系统中设置8089IOP后，8086/8088CPU工作在最大方式下；当CPU需要进行I/O操作时，只需在内存中建立一个规定格式的信息块，设置好需要执行的I/O操作和有关参数，然后CPU发出通道注意信号，通知8089去读取这些信息；8089读取到这些信息后，就可以开始执行I/O操作，将数据块以字或字节为单位完成I/O功能；8089在进行数据传输过程中，如果发现有错，还可以控制进行重复传送或必要的处理；当8089IOP完成数据I/O任务后，向CPU发出不忙碌信息，或向CPU发出中断请求信号，通知CPU当前任务完成；在整个数据块的传送过
20、程中，CPU不必去干预，可与8089并行工作。,8089IOP与8086/8088连接构成系统时，有两种基本的结构方式：本地方式（紧耦合）：8089与CPU共享系统总线和IO总线，可在不增加其他硬件的情况下获得有智能的DMA和一组功能强大的IO指令；远程方式（松耦合）：IOP一方面与CPU共享系统总线，另一方面又有自己的IO总线，这样就使IOP可以不通过共享总线，而是通过自己的IO总线就能访问它自己的IO设备，从而有效的减少IOP与CPU争用总线的现象，提高IOP与CPU之间的并行工作速度。远程方式下，CPU与IOP对总线的控制权都要通过向总线裁决部件发出请求信号，获得允许后才能获得系统总线的控制权。目前高档微机中普遍使用接口控制逻辑(ICL)技术，如采用南、北桥芯片组的微机系统中的北桥负责显存和主存之间的高速数据传输，而南桥芯片负责相对低速设备的数据输入输出，超级I/O芯片中集成了各种标准输入输出设备的接口控制电路。,本章小结,本章重点讲述了微机系统输入输出的基本问题。要求掌握输入/输出接口电路的基本概念，接口的功能和分类，端口概念；掌握I/O端口的编址方法和特点及其地址译码方法；了解PC机的 I/O端口地址分配；掌握CPU与外设数据传送的控制方法，熟悉各种控制方法的优缺点及适用场合。,Thank you very much!本章到此结束，谢谢您的合作！,
