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1、1,第五章 输入输出及其接口,本章学习要求：了解输入输出接口的基本结构，掌握计算机与外设之间进行数据传送的3种基本输入输出方法及对输入输出接口的要求。,2,5.1 为什么要用接口电路,一、CPU与外设间的连接接口概念 计算机通过外围设备同外部世界通信或交换数据称为“输入输出”。把外围设备同微型计算机连接起来实现数据传送的控制电路称为“外设接口电路”，简称“外设接口”。(介于主机和外设之间的一种缓冲电路称为I/O接口电路)。,3,CPU 与外设的连接不能向 CPU同存储器的连接那样，直接挂在总线上，而必须通过输入/输出接口电路来连接，才能实现对外设的有效控制和管理。,数据总线,（,DB,）,控制
2、部线,（,CB,）,地址总线,（,AB,）,中央处理器CPU,内存储器,I/O,接口,I/O,接口,I/O,设备,I/O,设备,4,二、为什么要用接口电路,原因：存储器与外设的不同,I/O接口电路作用：起隔离、锁存、记忆、变换作用,5,接口电路种类很多：总线控制器（8288芯片）时钟发生器（8284A芯片）总线裁决器（8289芯片）通用接口电路（如8251、8255、8253、8237、8259、74LS244/245、74LS273、74LS374/373等）专用接口（如电平转换接口、A/D和D/A转换器等）接口芯片有两类:一是可编程芯片，二是简单芯片。,种类：,6,5.2 CPU和外设之间
3、的接口信息,接口电路的基本结构同它传送信息种类有关。接口与外设之间的信号可分为三类：数据信息 状态信息 控制信息,7,5.2 CPU和输入/输出设备之间的信号,8,5.2 CPU和输入/输出设备之间的信号,9,5.2 CPU和输入/输出设备之间的信号,10,5.3 接口部件的I/O端口,每个接口部件都包含一组寄存器,CPU和外设进行数据传输时各类信息在接口中进入不同的寄存器，一般称这些寄存器为I/O端口，每个端口有一个端口地址，8086可寻址外设的端口地址为64K。有了端口地址，CPU对外设的输入/输出操作归结为对接口芯片各端口的读/写操作。,11,5.3 接口部件的I/O端口,应该指出：不管
4、是输入还是输出，所用到的地址总是对端口而言的，而不是对接口部件而言的。,12,选择接口时应注意：,输入端口必须采用具有三态门控制的芯片：输入数据时，因简单外设输入数据的保持时间相对于CPU的接收速度来说较长，故输入数据时通常不用加锁存器来锁存，而直接使用三态缓冲器与CPU数据总线相连，起隔离作用，可避免总线竞争。如74LS244等。输出端口必须使用锁存器：输出数据时，一般都需要锁存器将要输出的数据保持一段时间，其长短和外设的动作相适应。锁存时，在锁存器允许端CE（为无效电平）时，数据总线上的新数据不能进入锁存器。只有当确知外设已经取走CPU上次送入的数据，方能在CE=0电平时将新数据再送入锁存
5、器保留。如：74LS373/74LS374(带三态门)，74LS273等。,为什么单独的三态门只能做输入接口，而不能做输出接口；单独的锁存器的作用正好与其相反？,13,图a,14,接口的地址为：FF08HFF09,图b,15,图c,16,CPU与外设之间的数据传送方式，概括起来有如下三种：程序传送方式 程序中断方式 DMA方式,+,5.4 CPU和外设之间的数据传送方式,17,5.4.1 程序传送方式,程序传送方式是指CPU与外设间的数据交换在程序控制（即IN或OUT指令控制）下进行。又分为：无条件传送方式 条件传送方式。,18,无条件传送（又称同步传送）是一种不需要查询外设的状态而可直接进行
6、传送信息的一种传送方式。这种传送方式只对固定的外设（如开关、继电器、七段显示器、机械式传感器等简单外设）在固定时间用IN 或OUT 指令来进行信息的输入或输出，其实质是用程序来定时同步传送数据。对少量数据传送来说，是最省时间的一种传送方法，适用于各类巡回检测和过程控制。,一、无条件传送方式,19,20,二、条件传送方式,条件传送也称为查询方式传送。用条件传送方式时，CPU通过执行程序不断读取并测试外设的状态，如果外设处于准备好状态（对输入设备）或空闲状态（输出设备）则CPU执行输入（IN指令）或输出（OUT指令）指令与外设交换信息。可见，对于条件传送，一个数据的传送过程由3个环节组成：即 CP
7、U从接口中读取状态字。CPU检测状态字的对应位是否满足“就绪”条件，如不满足转 如表明外设已处于“就绪”状态，则传送数据。,21,1.查询方式输入,22,1.查询方式输入,23,2.查询方式输出,24,2.查询方式输出,25,例1,26,27,28,29,30,31,例2利用具有三态输出的锁存器（74LS374）作为 输出接口，接口地址为00F8H，若前图a输入接 口的bit3、bit4和bit7同时为1时，将DATA为 首地址的10个内存数据连续由输出接口输出；若不满足条件则等待，试编程序。注：输入接口用前面的图a，其接口地址为87F7H。根据此例要求，即主要是查询接口地址为87F7H的输入
8、接口的状态，确定是否输出10个数据 根据给定的接口地址，其输出接口硬件连接图如下所示,32,33,程序段如下：,TDATAP：MOV DX，SEG DATA MOV DS，DX MOV SI，OFFSET DATA MOV CX，10 L1:MOV DX，87F7H IN AL，DX AND AL，98H CMP AL，98H JNE L1 MOV DX，00F8H L2：MOV AL，SI OUT DX，AL INC SI LOOP L2 HLT,；判断是否同时为1,D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 0 0 1 1 0 0 0,98H,34,4.系统与多个外设连接时的数据传
9、送,当系统与多个外设连接并利用查询方式进行数据的输入/输出时，可以有两种方法：（1）利用轮流查询的方式来检测接口的状态位。这种查询方式，可以通过程序的优先级来决定设备的优先级。根据这样的思想，可根据各外设的轻重缓急，给外设安排一个优先级链。,35,（2）利用循环查询的方式来检测接口的状态位。这种查询方式使几个外设处于完全等同的地位，即没有优先级。例如：见教材P160程序所示,4.系统与多个外设连接时的数据传送,36,1.为何要采用中断方式 可使CPU与外设并行工作，消除等待时间，提高 CPU的工作效率和提高系统中多台外设的工作效率。2.中断的工作原理 对于中断传输过程，为了具有实时性能，一般
10、采用外部中断。有两个引脚：NMI：非屏蔽中断 INTR：可屏蔽中断,5.4.2 中断传送方式,37,中断响应过程（INTR）,由INTA连续送两个负脉冲，从数据总线上读取中断向量码保护断点：将PSW入栈 清除IF、TF标志 将CS、IP入栈得到中断服务程序入口地址：IP（n4)CS(n4+2)保护现场：用一系列PUSH命令将中断服务程序中用到 的一些寄存器值保护起来。,38,1,1,READY,“1”,R,INTR,39,3.中断优先级问题的解决,微型计算机系统中对中断优先级采用以下三种方法来解决：即软件查询方式 P164图6-10和程序简单硬件方式菊花链法专用硬件方式中断控制器,40,1.D
11、MA传送的提出 利用中断传送方式，虽可提高CPU的工作效率，但对于高速外设以及成组交换数据的场合，显得太慢，不能满足要求。原因：仍需CPU通过程序来实现数据传送，并在处理中断时，还要“保护断点、标志”、“保护现场”和“恢复现场”。是按字或字节来进行传输的。为了解决这个问题，实现按数据块传输，就需要改变传输方式，这就是直接存储器传输方式，即DMA方式。,5.4.3 DMA传送方式（即直接存储器传输方式）,41,2.DMA传送的含义 DMA（Direct Memory Access)方式或称为数据通道方式是一种由专门的硬件电路执行 I/O交换的传送方式，它使外设接口可直接与内存进行高速的数据传送，
12、而不必经过CPU，这样就不必进行保护现场之类的额外操作，可实现对存储器的直接存取。这种专门的硬件电路就是DMA控制器，简称为DMAC。,5.4.3 DMA传送方式（即直接存储器传输方式）,42,：执行程序指令的数据传送路径,：DMA方式的数据传送路径,图为两种不同的传送路径,43,3.几种不同形式的DMA传送,在DMAC的控制下，可实现如下三种形式的高速数据传送。,内存,外设,内存,内存,外设,外设,输出,输入,输出,输入,输出,输入,44,4.DMA传送的原理,HOLD,HLDA,45,4.DMA控制器的工作特点,是一个接口电路，因为它也有I/O端口地址。能够控制系统总线，可以提供一系列控制
13、信号，像CPU一样操纵外设和存储器之间的数据传输，所以DMA控制器又不同于一般的接口电路。DMA控制器控制的数据传输不同于其它方式的传输；它在传输数据时不用指令，而是通过硬件逻辑电路用固定的顺序发地址和用读/写信号来实现高速数据传输，CPU完全不参与，数据也不经过CPU，而是直接在外设和内存之间传输。,46,1.三种基本输入输出方式 即程序直接控制方式、程序中断控制方式和存储器直接存取（DMA)方式。它们传送信息的速度依次越来越快，其传送效率也越来越高，但其实现和管理的复杂性也越来越高。程序直接控制和中断控制传送方式下的信息传送是通过IN和OUT指令实现的，DMA方式则在存储器与外设之间架起直
14、接访问的通路，因此与CPU的IN、OUT指令无关，其存储速度是芯片的速度。,总结:,47,2.系统与接口部件之间的通信联络,在查询方式下，是通过程序来检测接口中状态寄存器中的“准备好”（READY)位，来确定当前是否可以进行数据传输；在中断方式下，当接口中已经有数据要送往CPU或准备好接收数据时，接口会向CPU发一个外部中断请求，CPU在得到中断请求后，如果响应中断，便通过运行中断处理程序来实现输入/输出；在DMA方式下，外设要求传输数据时，接口会向DMA控制器发请求信号，DMA控制器转而往CPU发送一个总线请求信号，以得到总线的控制权，如果得到DMA允许，那么，就可以在没有CPU参与的情况下实现DMA传输。,结束,
