第六章 输入输出与技术.ppt
《第六章 输入输出与技术.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第六章 输入输出与技术.ppt(41页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、第六章第六章 输入输出输入输出与中断技与中断技术术6.1 I/O 接口概述接口概述6.2 CPU 与外设之间数据传送的方式与外设之间数据传送的方式6.3 VIC 中断向量控制器中断向量控制器6.4 GPIO6.1 I/O接口概述接口概述I/O接口的作用接口的作用CPU与外设交换的信息与外设交换的信息I/O接口的基本结构接口的基本结构I/O端口的编址端口的编址6.1.1 I/O接口的作用接口的作用 计算计算机与外界的信息交换是通过输入机与外界的信息交换是通过输入/输出设备进行的。输出设备进行的。一般的输入一般的输入/输出设备都是机械的或机电相结合的产物,比如输出设备都是机械的或机电相结合的产物,
2、比如常规的外设有键盘、显示器、打印机、扫描仪、磁盘机、鼠标常规的外设有键盘、显示器、打印机、扫描仪、磁盘机、鼠标器等,它们相对于高速的中央处理器来说,速度要慢得多。此器等,它们相对于高速的中央处理器来说,速度要慢得多。此外,不同外设的信号形式、数据格式也各不相同。因此,外部外,不同外设的信号形式、数据格式也各不相同。因此,外部设备不能与设备不能与CPUCPU直接相连,需要通过相应的电路来完成它们之直接相连,需要通过相应的电路来完成它们之间的速度匹配、信号转换,并完成某些控制功能。通常把介于间的速度匹配、信号转换,并完成某些控制功能。通常把介于主机和外设之间的一种缓冲电路称为主机和外设之间的一种
3、缓冲电路称为I/O接口电路,简称接口电路,简称I/O接接口口(Interface)。6.1.2 CPU与外设交换的信息与外设交换的信息 主机与主机与I/O设备之间交换的信息可分为数据信息、状态信息和设备之间交换的信息可分为数据信息、状态信息和控制信息三类。控制信息三类。1 1数据信息数据信息 数据信息又分为数字量、模拟量和开关量三种形式。数据信息又分为数字量、模拟量和开关量三种形式。1)1)数字量数字量 数字量是计算机可以直接发送、接收和处理的数据。例如,数字量是计算机可以直接发送、接收和处理的数据。例如,由键盘、显示器、打印机及磁盘等由键盘、显示器、打印机及磁盘等I/O外设与外设与 CPU交
4、换的信息,交换的信息,它们是以二进制形式表示的数或以它们是以二进制形式表示的数或以ASCII码表示的数符。码表示的数符。2)2)模拟量模拟量 当计算机应用于控制系统中时,输入的信息一般为来自现当计算机应用于控制系统中时,输入的信息一般为来自现场的连续变化的物理量,如温度、压力、流量、位移、湿度等,场的连续变化的物理量,如温度、压力、流量、位移、湿度等,这些物理量通过传感器并经放大处理得到模拟电压或电流,这这些物理量通过传感器并经放大处理得到模拟电压或电流,这些模拟量必须先经过模拟量向数字量的转换些模拟量必须先经过模拟量向数字量的转换(A/D(A/D转换转换)后才能后才能输入计算机。反过来,计算
5、机输出的控制信号都是数字量,也输入计算机。反过来,计算机输出的控制信号都是数字量,也必须先经过数字量向模拟量的转换必须先经过数字量向模拟量的转换(D/A(D/A转换转换),把数字量转换,把数字量转换成模拟量才能去控制现场。成模拟量才能去控制现场。3)3)开关量开关量 开关量可表示两个状态,如开关的断开和闭合,机器的运开关量可表示两个状态,如开关的断开和闭合,机器的运转与停止,阀门的打开与关闭等。这些开关量通常要经过相应转与停止,阀门的打开与关闭等。这些开关量通常要经过相应的电平转换才能与计算机连接。开关量只要用一位二进制数即的电平转换才能与计算机连接。开关量只要用一位二进制数即可表示。可表示。
6、2.2.状态信息状态信息 状态信息作为状态信息作为CPUCPU与外设之间交换数据时的联络信息,反映与外设之间交换数据时的联络信息,反映了当前外设所处的工作状态,是外设通过接口送往了当前外设所处的工作状态,是外设通过接口送往CPUCPU的。的。CPUCPU通过对外设状态信号的读取,可得知输入设备的数据是否准备通过对外设状态信号的读取,可得知输入设备的数据是否准备好、输出设备是否空闲等情况。对于输入设备,一般用准备好好、输出设备是否空闲等情况。对于输入设备,一般用准备好(READY)(READY)信号的高低来表明待输入的数据是否准备就绪;对于输信号的高低来表明待输入的数据是否准备就绪;对于输出设备
7、,则用忙出设备,则用忙(BUSY)(BUSY)信号的高低表示输出设备是否处于空闲信号的高低表示输出设备是否处于空闲状态,如为空闲状态,则可接收状态,如为空闲状态,则可接收CPUCPU输出的信息,否则输出的信息,否则CPUCPU要暂要暂停送数。因此,状态信息能够保障停送数。因此,状态信息能够保障CPUCPU与外设正确地进行数据交与外设正确地进行数据交换。换。3 3控制信息控制信息 控控制制信信息息是是CPUCPU通通过过接接口口传传送送给给外外设设的的,CPUCPU通通过过发发送送控控制制信信息息设设置置外外设设(包包括括接接口口)的的工工作作模模式式、控控制制外外设设的的工工作作。如如外外设设
8、的的启启动动信信号号和和停停止止信信号号就就是是常常见见的的控控制制信信息息。实实际际上上,控控制制信息往往随着外设的具体工作原理不同而含义不同。信息往往随着外设的具体工作原理不同而含义不同。虽然数据信息、状态信息和控制信息含义各不相同,但在虽然数据信息、状态信息和控制信息含义各不相同,但在计算机系统中,计算机系统中,CPUCPU通过接口和外设交换信息时,只能用输入指通过接口和外设交换信息时,只能用输入指令令(LDR)(LDR)和输出指令和输出指令 (STR)(STR)传送数据,所以状态信息、控制信息传送数据,所以状态信息、控制信息也是被作为数据信息来传送的,即把状态信息作为一种输入数也是被作
9、为数据信息来传送的,即把状态信息作为一种输入数据,而把控制信息作为一种输出数据,这样,状态信息和控制据,而把控制信息作为一种输出数据,这样,状态信息和控制信息也通过数据总线来传送。但在接口中,这三种信息是在不信息也通过数据总线来传送。但在接口中,这三种信息是在不同的寄存器中分别存放的。同的寄存器中分别存放的。6.1.3 I/O接口的基本结构接口的基本结构 I/OI/O接口的基本结构如图所示。每个接口电路中都包含一组接口的基本结构如图所示。每个接口电路中都包含一组寄存器,寄存器,CPUCPU与外设进行信息交换时,各类信息在接口中存入不与外设进行信息交换时,各类信息在接口中存入不同的寄存器,一般称
10、这些寄存器为同的寄存器,一般称这些寄存器为I/OI/O端口,简称为口端口,简称为口(Port)(Port)。用来保存用来保存CPUCPU和外设之间传送的数据和外设之间传送的数据(如数字、字符及某种特定如数字、字符及某种特定的编码等的编码等)、对输入、对输入/输出数据起缓冲作用的数据寄存器称为数输出数据起缓冲作用的数据寄存器称为数据端口;用来存放外设或者接口部件本身状态的状态寄存器称据端口;用来存放外设或者接口部件本身状态的状态寄存器称为状态端口;用来存放为状态端口;用来存放CPUCPU发往外设的控制命令的控制寄存器称发往外设的控制命令的控制寄存器称为控制端口。为控制端口。正正如如每每个个存存储
11、储单单元元都都有有一一个个物物理理地地址址一一样样,每每个个端端口口也也有有一一个个地地址址与与之之相相对对应应,该该地地址址称称为为端端口口地地址址。有有了了端端口口地地址址,CPUCPU对对外外设设的的输输入入/输输出出操操作作实实际际上上就就是是对对I/OI/O接接口口中中各各端端口口的的读读/写写操操作作。数数据据端端口口一一般般是是双双向向的的,数数据据是是输输入入还还是是输输出出,取取决决于于对对该该端端口口地地址址进进行行操操作作时时CPUCPU发发往往接接口口电电路路的的读读/写写控控制制信信号号。由由于于状状态态端端口口只只做做输输入入操操作作,控控制制端端口口只只做做输输出
12、出操操作作,因因此此,有有时时为为了了节节省省系系统统地地址址空空间间,在在设设计计接接口口时时往往往往将将这这两两个个端端口口共共用用一一个端口地址,再用读个端口地址,再用读/写信号来分别选择访问。写信号来分别选择访问。应该指出,输入应该指出,输入/输出操作所用到的地址总是对端口而言,输出操作所用到的地址总是对端口而言,而不是对接口而言的。接口和端口是两个不同的概念,若干个端而不是对接口而言的。接口和端口是两个不同的概念,若干个端口加上相应的控制电路才构成接口。口加上相应的控制电路才构成接口。6.1.4 I/O端口的编址端口的编址 微微型型计计算算机机系系统统中中I/OI/O端端口口编编址址
13、方方式式有有两两种种:I/OI/O端端口口与与内存单元统一编址和内存单元统一编址和 I/OI/O端口与内存单元独立编址。端口与内存单元独立编址。1 1I/OI/O端口与内存单元统一编址(端口与内存单元统一编址(Memory map I/O Memory map I/O)这种编址方式是对这种编址方式是对I/OI/O端口和存储单元按照存储单元的端口和存储单元按照存储单元的编址方法统一编排地址号,由编址方法统一编排地址号,由I/OI/O端口地址和存储单元地址端口地址和存储单元地址共同构成一个统一的地址空间。例如,对于一个有共同构成一个统一的地址空间。例如,对于一个有1616根地址根地址线的微机系统,
14、若采用统一编址方式,其地址空间的结构如线的微机系统,若采用统一编址方式,其地址空间的结构如图图6.26.2所示。所示。图图6.2 I/O端口与内存单元统一编址端口与内存单元统一编址 采用统一编址方式后,采用统一编址方式后,CPUCPU对对I/OI/O端口的输入端口的输入/输出操作如输出操作如同对存储单元的读同对存储单元的读/写操作一样,所有访问内存的指令同样写操作一样,所有访问内存的指令同样都可用于访问都可用于访问I/OI/O端口,因此无需专门的端口,因此无需专门的I/OI/O指令,从而简化指令,从而简化了指令系统的设计;同时,对存储器的各种寻址方式也同样了指令系统的设计;同时,对存储器的各种
15、寻址方式也同样适用于对适用于对I/OI/O端口的访问,给使用者提供了很大的方便。但端口的访问,给使用者提供了很大的方便。但由于由于I/OI/O端口占用了一部分存储器地址空间,因而相对减少端口占用了一部分存储器地址空间,因而相对减少了内存的地址可用范围。了内存的地址可用范围。2 2I/OI/O端口与内存单元独立编址(端口与内存单元独立编址(Peripheral I/OPeripheral I/O)在这种编址方式中,建立了两个地址空间,一个为内存在这种编址方式中,建立了两个地址空间,一个为内存地址空间,一个为地址空间,一个为I/OI/O地址空间。内存地址空间和地址空间。内存地址空间和I/OI/O地
16、址空地址空间是相对独立的,通过控制总线来确定间是相对独立的,通过控制总线来确定CPUCPU到底要访问内存到底要访问内存还是还是I/OI/O端口。为确保控制总线发出正确的信号,除了要有端口。为确保控制总线发出正确的信号,除了要有访问内存的指令之外,系统还要提供用于访问内存的指令之外,系统还要提供用于CPUCPU与与I/OI/O端口之间端口之间进行数据传输的输入进行数据传输的输入/输出指令。输出指令。6.2 CPU与外设传送数据的方式与外设传送数据的方式程序传送方式程序传送方式中断传送方式中断传送方式直接存储器存取传送方式直接存储器存取传送方式(DMA)6.2.1 6.2.1 程序传送方式程序传送
17、方式1 1无条件传送方式无条件传送方式 微机系统中的一些简单的外设,如温度传感器、压力传感器、微机系统中的一些简单的外设,如温度传感器、压力传感器、开关、继电器、数码管、发光二极管等,在它们工作时,可以认开关、继电器、数码管、发光二极管等,在它们工作时,可以认为输入设备已随时准备好向为输入设备已随时准备好向CPUCPU提供数据,而输出设备也随时准提供数据,而输出设备也随时准备好接收备好接收CPUCPU送来的数据,这样,在送来的数据,这样,在CPUCPU需要同外设交换信息时,需要同外设交换信息时,就能够用就能够用LDRLDR或或STRSTR指令直接对这些外设进行输入指令直接对这些外设进行输入/输
18、出操作。由输出操作。由于在这种方式下于在这种方式下CPUCPU对外设进行输入对外设进行输入/输出操作时无需考虑外设的输出操作时无需考虑外设的状态,故称之为无条件传送方式。状态,故称之为无条件传送方式。对于简单外设,若采用无条件传送方式,其接口电路也很简对于简单外设,若采用无条件传送方式,其接口电路也很简单。如简单外设作为输入设备时,输入数据保持时间相对于单。如简单外设作为输入设备时,输入数据保持时间相对于CPUCPU的处理时间要长得多,所以可直接使用三态缓冲器和数的处理时间要长得多,所以可直接使用三态缓冲器和数据总线相连。当执行输入的指令时,读信号有效,因而三态据总线相连。当执行输入的指令时,
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第六章 输入输出与技术 第六 输入输出 技术
限制150内