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1、5-111,5.1 I/O接口的基本概念5.2 I/O端口的编址方式5.3 I/O同步控制方式5.4 I/O接口中的数据缓存技术,第五章 I/O 接口,5-112,5.1.1 I/O设备与I/O接口5.1.2 接口的基本功能5.1.3 接口的基本结构,5.1 I/O接口的基本概念,5-113,I/O设备是微机系统必不可少的组成部分。但外部I/O设备并不能直接与微机相连，这是因为：,(1)两者的信息类型可能不一样：,计算机只能接收、处理二进制形式的数字量信息；,外设的信息通常有4种类型：,数字量信息,模拟量信息（电压、电流等）,开关量信息（一位二进制数）,脉冲量信息,1.I/O设备,5.1.1
2、I/O设备与I/O接口,5-114,5.1.1 I/O设备与I/O接口,(2)即使都是数字量信息，两者的信息格式、信号时序、传输速度还可能不一样。,因此，外设必须通过I/O接口与计算机相连，以实现信息的变换、缓冲和协调。,5-115,5.1.1 I/O设备与I/O接口,I/O接口就是微机与外部I/O设备之间的公用边界，是把微机与外界各种检测、控制对象联系起来的纽带和桥梁，是任何微机应用系统中必不可少的重要组成部分。,接口技术是把由处理器等组成的基本系统与外部设备连接起来，从而实现计算机与外设通信的一门技术。它是组成任何实用微机系统的关键技术，需要用软件硬件综合来完成某一特定任务。,3.接口技术
3、,2.I/O接口的定义,5-116,总之，就是完成三大总线的转换和连接任务。,作为微型机与外设传递数据的缓冲站；,正确寻址与微机交换数据的外设；,提供微型机与外设间交换数据所需的控制 逻辑和状态信号。,不同外设的接口，其功能及与外设的连接、通信方式各不相同。但任何接口电路的基本功能是相同的，有三：,5.1.2 接口的基本功能,5-117,同样，不同外设接口的内部结构可能千差万别，但其基本结构也是相似的。与接口的基本功能相对应，接口电路必须包含以下三种基本逻辑部件：,I/O数据缓冲寄存器,寄存器地址译码器,读/写控制逻辑,对于一些比较复杂的接口,为了增强功能和适应不同I/O同步控制方式的需要，往
4、往还要引入一些别的逻辑电路。,5.1.3 接口的基本结构,5-118,1.接口电路的典型结构,5.1.3 接口的基本结构,用于地址总线缓冲和正确选择接口电路内部各端口寄存器的地址。,存放处理器发来的控制命令和其它信息，以确定接口电路的工作方式和功能。,保存外设现行各种状态信息，它的内容可以被处理器读出。,用于产生内部读写控制信号，控制接口中各寄存器的数据传送方向。,输入缓存器和状态寄存器的输出接在数据总线上,因此它必须有三态输出功能。,5-119,通常把接口中可被CPU读/写的寄存器称为I/O端口。端口寄存器的全部或部分端口线被连接到外设上。如图所示:,所谓的I/O操作,是指I/O端口操作，而
5、不是指I/O设备操作，即CPU访问的是与外设相连的I/O端口，而不是笼统的I/O设备。,2.I/O操作,5.1.3 接口的基本结构,5-1110,5.2.1 存储器映象方式5.2.2 隔离I/O方式5.2.3 80X86系列处理器的I/O编址方式,5.2 I/O端口的编址方式,5-1111,5.2.1 存储器映象方式,这种方式是将I/O端口与存储器单元同等看待，一起编址，所以也叫统一编址方式。,5-1112,5.2.1 存储器映象方式,(2)I/O端口数目(即外设数目)只受总存储容量的限制,大大增加了系统的吞吐率。,1.优点：,(1)I/O操作与存储器操作完全相同，无需使用专用I/O指令，而存
6、储器操作指令及其寻址方式非常丰富，从而使I/O功能增强，编程方便、灵活。,(3)使微机系统的读写控制逻辑简单。,5-1113,5.2.1 存储器映象方式,(2)为识别一个端口，必须对全部地址线译码，增加了地址译码电路的复杂性，并使外设寻址时间增长。,(1)占用了存储器的一部分地址空间，使可用的内存空间减少。,2.缺点：,(3)访问存储器与I/O操作区别不明显。,5-1114,1.特点：,将I/O端口和存储器分开编址，即两者的地址空间是互相“隔离”的。,有两个地址空间，MPU 使用不同的读写控制信号访问存储器和I/O端口。,MPU访问I/O端口必须采用专用I/O指令。,5.2.2 隔离I/O方式
7、,5-1115,(1)存储器全部地址空间都不受I/O寻址影响；,(2)I/O地址译码较简单，I/O寻址速度较快；,(3)使用专用I/O指令和存储器访问指令有明显区别，可使编制的程序清晰易懂，便于检查。,2.优点：,5.2.2 隔离I/O方式,5-1116,(3)MPU必须提供存储器和I/O两组读写控制信号，增加了控制逻辑的复杂性。,(2)I/O指令只能在规定的内部寄存器和I/O 端口间交换信息，处理能力和灵活性不如存储器映象式强；,(1)I/O指令类型少，不如存储器访问指令丰富，使程序设计灵活性较差；,2.缺点：,5.2.2 隔离I/O方式,5-1117,5.2.3 80X86系列处理器的I/
8、O编址方式,80X86既可采用隔离I/O编址方式,又可使用存储器映象I/O编址方式。,1.I/O地址空间 2.I/O指令3.I/O保护,本节介绍与隔离I/O编址方式有关的几个问题：,5-1118,实际的80X86系统中只使用了1K字节的I/O空间，即只用A9A0这十根地址线对I/O寻址，并且对这1K字节的I/O地址空间也大都按AT系统的技术标准作了分配。,80X86都提供一个区别于物理存储器地址空间的独立的I/O地址空间,由216(64K)个可独立寻址的8位端口组成。,两个相邻的8位端口可构成一个16位端口,一般应对准于偶数地址。,4个相邻的8位端口可构成一个32位端口(80386以上),一般
9、应对准于能被4整除的地址。,5.2.3 80X86系列处理器的I/O编址方式,I/O地址 空 间 I/O指令 I/O保护,5-1119,为了保证DMA控制器访问存储器时，不会同时选通I/O空间中相同地址的端口,在I/O端口地址译码电路中还要加一个限定信号AEN，使得DMAC访问时，AEN=1，禁止I/O端口译码。,I/O地址 空 间 I/O指令 I/O保护,关于80X86I/O编址方式的几点说明：,5.2.3 80X86系列处理器的I/O编址方式,5-1120,DX间接寻址端口的I/O指令,8位立即数直接寻址端口的I/O指令,串数据I/O指令,I/O地址 空 间 I/O指令 I/O保护,允许在
10、累加器和I/O端口间交换数据,允许在存储器和I/O端口间交换数据,寄存器I/O指令(IN，OUT),5.2.3 80X86系列处理器的I/O编址方式,5-1121,8X486为I/O操作提供了两种保护机制：,(1)用EFLAGS中的IOPL字段控制使用I/O指令访问I/O地址空间的权限。,(2)用任务状态段的“I/O允许位映象”控制对I/O地址空间中各具体端口的访问权限。,5.2.3 80X86系列处理器的I/O编址方式,I/O地址 空 间 I/O指令 I/O保护,5-1122,(1)保护虚地址方式下，当某个程序要访问I/O端口时，CPU先检查是否满足CPLIOPL，如满足，则可访问。如不满足
11、，再对相应于这些端口的所有映象位进行测试。,5.2.3 80X86系列处理器的I/O编址方式,I/O地址 空 间 I/O指令 I/O保护,(2)在虚拟8086方式下，处理器不考虑IOPL，只检查I/O允许位映象。,关于保护机制的两点说明：,5-1123,5.3 I/O同步控制方式,I/O同步控制方式是微机基本系统与I/O外设之间数据传送的管理方法，是微机系统的一种调度策略。,输入过程,输出过程,输入,输出,5-1124,I/O设备的同步控制方式通常有四种：,程序查询式控制中断驱动式控制直接存储器存取式控制延时等待式控制,5.3 I/O同步控制方式,5-1125,(1)特点：,1.查询式2.中断
12、式3.DMA式4.等待式,I/O操作总是由MPU通过程序查询外设的状态来启动，即总是MPU主动，I/O被动。,(2)硬件接口结构,输入接口,5.3 I/O同步控制方式,5-1126,输入接口硬件结构,5.3 I/O同步控制方式,1.查询式2.中断式3.DMA式4.等待式,动画演示,5-1127,输出接口,5.3 I/O同步控制方式,1.查询式2.中断式3.DMA式4.等待式,5-1128,5.3 I/O同步控制方式,1.查询式2.中断式3.DMA式4.等待式,它是一种天然的同步控制机构，能很好地协 调MPU与外设之间的工作，数据传送可靠。,在MPU使用效率与响应实时性间有矛盾，软件开销大，MP
13、U使用效率低。,(3)优点：,(4)缺点：,这种I/O控制方式是优是劣，不能一概而论,要看具体应用场合。,接口简单，硬件电路不多，查询程序也不复 杂。,5-1129,5.3 I/O同步控制方式,1.查询式2.中断式3.DMA式4.等待式,动画演示,(1)特点：每次I/O操作都是由I/O设备向MPU发中断请求而启动的，即I/O主动，MPU被动。,(2)接口电路结构,5-1130,5.3 I/O同步控制方式,1.查询式2.中断式3.DMA式4.等待式,(3)优缺点：,I/O设备较多时，硬件复杂，需以一系列中断逻辑电路作为支持；,缺点：,优点：,既能节省MPU时间,提高计算机使用效率，又能使I/O设
14、备的服务请求得到及时响应，较好地解决了效率与实时性间的矛盾。,因为中断方式本身是一种异步控制机构，中断请求信号的出现完全是随机的，故软件开发和调试比程序查询式复杂、困难。,鉴于上述原因，如不是实时性要求很高、非使用中断驱动式控制不可的地方，还是尽量用程序查询式控制为好，或者把两种控制方式结合起来。,5-1131,(1)DMA传输的特点：,I/O设备必须通过MPU才能和存储器交换信息。每次I/O操作的引发方式无论是软件查询引发还是硬件中断引发，引发后的具体数据传输 过程则都是由软件控制完成的。,5.3 I/O同步控制方式,1.查询式2.中断式3.DMA式4.等待式,而DMA方式无需MPU介入，进
15、入DMA工作状态后，数据完全是在硬件控制下在I/O设备和存储器间直接交换，因此速度可大大提高。,I/O设备直接与存储器交换信息,无需MPU介入。这与前两种方式有本质不同,前两种的共同特点是：,5-1132,5.3 I/O同步控制方式,1.查询式2.中断式3.DMA式4.等待式,(2)硬件接口-DMAC,DMA方式使用一种称之为DMA控制器（DMAC)的专用处理器硬件来完成I/O与存储器之间的高速数据传送控制。,DMAC具有独立访问存储器与I/O端口的能力，于是DMAC与MPU通常要共享系统中的三总线。,DMAC通常有三种从MPU接管总线的方式：,窃取MPU空闲时间,使MPU暂时放弃总线控制权,
16、暂停MPU时钟脉冲,5-1133,5.3 I/O同步控制方式,1.查询式2.中断式3.DMA式4.等待式,DMA操作过程示意图,动画演示,第一种方式下DMA操作过程示意：,5-1134,5.3 I/O同步控制方式,1.查询式2.中断式3.DMA式4.等待式,解决DMAC内部多通道间的总线访问冲突。,用于提供数据块传送的“链接”手段，实现数据自动链接再启动，达到大块数据连续传送的目的。,5-1135,5.3 I/O同步控制方式,1.查询式2.中断式3.DMA式4.等待式,DMAC同步控制方式的优缺点：,优点：,I/O响应时间短,数据传送速率高,CPU额外开销小,硬件复杂，成本较高,缺点：,5-1
17、136,5.3 I/O同步控制方式,1.查询式2.中断式3.DMA式4.等待式,这是一种无需控制的I/O操作方式,只有在外部控制过程的各种动作时间是固定的，且是已知的条件下才能使用。,两种方法：软件延时 硬件延时,5-1137,5.4 I/O接口中的数据缓存技术,单一字节数据缓存器 FIFO数据缓存器 双口SRAM数据缓存器,5-1138,5.4.1 单一字节数据缓存器,1.单字节缓存器结构,实际上就是一个带三态缓冲输出的8位寄存器或8位锁存器。分为：,寄存器加三态缓冲器构成的缓存器,锁存器加三态缓冲器构成的缓存器,5-1139,2.单字节数据缓存器连接,5.4.1 单一字节数据缓存器,5-1140,5.4.2 FIFO数据缓存器,1.基于寄存器阵列的结构,5-1141,5.4.2 FIFO数据缓存器,2.基于RAM阵列的结构,5-1142,5.4.3 双口SRAM数据缓存器,它是指具有两套独立总线、对外提供两个独立读/写端口的静态RAM存储器。,有两种结构形式：两个端口完全相同的对称结构；两个端口不完全相同的非对称结构。,
