微机原理课件 8_输入输出技术.ppt

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1、 I/O接口概述接口概述 I/O端口与其寻址方式端口与其寻址方式 CPU与外设之间的数据传送方式与外设之间的数据传送方式本章内容本章内容本章内容本章内容 掌握微型计算机接口技术的基本概念掌握微型计算机接口技术的基本概念 了解主机与外设之间的各种数据传送方式了解主机与外设之间的各种数据传送方式 了解了解I/O端口的寻址方式端口的寻址方式 学习目的学习目的学习目的学习目的 8.1 I/O接口概述接口概述微微型型计计算算机机系系统统可可通通过过系系统统总总线线与与外外设设相相连连，进进行行系系统统的的扩扩展展与与开开发发，而而外外设设必必须须通过通过接口接口才能与才能与CPU交换信息。交换信息。CP

2、U或 系统总线I/O 接口 电路外 设外设不同：工作原理、驱动方式、信息格式、工作速度输入输入：键盘，鼠：键盘，鼠标，扫描仪，声标，扫描仪，声音、各种传感器音、各种传感器输入的模拟量：输入的模拟量：温度，压力，流温度，压力，流量等。量等。输出输出：打印机，：打印机，绘图仪，声音，绘图仪，声音，各种开关控制量。各种开关控制量。一、一、一、一、I/OI/O接口的功能接口的功能接口的功能接口的功能 作作为为接接口口电电路路，通通常常必必须须为为外外部部设设备备提提供供几几个个有有对对应应编编址址的的寄寄存存器器，每每个个寄寄存存器器称称为为一一个个I/O端口端口。通常的。通常的I/O接口示意图如下图

3、所示接口示意图如下图所示：I/O接口示意图 I/O接接口口内内部部一一般般由由数数据据、状状态态、控控制制三三类寄存器组成。其类寄存器组成。其作用作用如下如下:数据寄存器数据寄存器在在输输入入时时，保保存存外外设设发发往往CPU的数据的数据(输入寄存器输入寄存器)在在输输出出时时，保保存存CPU发发往往外外设设的数据的数据(输出寄存器输出寄存器)状状态态寄寄存存器器保保存存状状态态信信息息，CPU可可从从状状态态口口读取读取外设当前状态；外设当前状态；控制寄存器控制寄存器用来保存用来保存CPU发的控制命令。发的控制命令。任何接口电路均包括如下任何接口电路均包括如下任何接口电路均包括如下任何接口

4、电路均包括如下基本功能：基本功能：基本功能：基本功能：1.1.作为微型机与外设间传递作为微型机与外设间传递数据的中间缓冲站数据的中间缓冲站；输入口:三态门,缓冲/隔离;输出口:锁存器,数据锁存2.正确寻址正确寻址与微机交换数据的与微机交换数据的外设外设；外设多设备,各设备多种端口,各端口地址需译码产生3.提供提供微型机与外设间交换数据所需的微型机与外设间交换数据所需的控制逻辑控制逻辑 与状态信号与状态信号。二、二、二、二、CPU CPU 与与与与I/OI/O之间的接口信号之间的接口信号之间的接口信号之间的接口信号1.1.数据信息数据信息数据信息数据信息 (DATA)(DATA)(1)数字量数字

5、量 由键盘、光电输入机等输入的信息。(通常以二进制表示的数或以 ASCII 码表示的数或字符),其数位有8、16和32位。CPU与外设交换的基本信息是数据，有三种类型：(2)模拟量模拟量（如压力、声音、流量、温度等）（如压力、声音、流量、温度等）非电量信息传感器电量信号处理A/DCPU(3)开关量开关量（如电机的启与停，开关的合与开等）两个状态的量(可以用0、1表示)2.2.2.状态信息状态信息状态信息状态信息状态信息状态信息 (STATUS)(STATUS)(STATUS)输入时，输入设备是否准备好？(READY)输出时，输出设备是否空闲？(BUSY)反映当前外设工作状态的信息，例如：3.3

6、.3.控制信息控制信息控制信息控制信息控制信息控制信息 (CONTROL)(CONTROL)(CONTROL)例如控制I/O 设备启动或停止等。CPUI/O设备I/O接口123ABDBCBDATASTATUSCONTROLCPU 与外设之间的接口信息 CPU通过接口输出对以外设的控制命令信号。通过接口输出对以外设的控制命令信号。注：注：状态和控制信息状态和控制信息也必须作为也必须作为数据数据来传送到相应端口，常占来传送到相应端口，常占1或或2位，可共用端口位，可共用端口外外部部设设备备与与微微处处理理器器进进行行信信息息交交换换必必须须通通过过访访问问该该外外设设相相对对应应的的端端口口来来实

7、实现现。具体访问这些具体访问这些外设端口外设端口的过程叫做的过程叫做寻址寻址。通通常常有有两两种种寻寻址址方方式式：存存储储器器映映像像的的I/OI/O寻寻址方式址方式和和I/OI/O端口端口单独独寻址方式址方式。8.2 I/O 端口及其寻址方式端口及其寻址方式 一、存储器映像的一、存储器映像的一、存储器映像的一、存储器映像的I/OI/O寻址方式寻址方式寻址方式寻址方式 端口地址与存储器地址统一编址端口地址与存储器地址统一编址存储器映像的I/O端口寻址连接方式 A15WRRDCPURD WR例如：Motorola公司的MC6800/68000系列CPU优点：优点：1.端口寻址手段丰富，且不需要

8、专门的I/O指令。2.I/O寄存器数目与外设数目不受限制，而只受总存储容量的限制。3.读写控制逻辑比较简单。缺点：缺点：I/O端口要占用存储器的一部分地址空间，使可用的内存空间减少。二、二、二、二、I/OI/O端口单独寻址方式端口单独寻址方式端口单独寻址方式端口单独寻址方式 I/OI/O端口和存端口和存储器分开器分开寻址址,有有专用用I/O指令指令I/O端口单独寻址方式示意图 CPUCPU访问I/OI/O端口必端口必须采用采用专用用I/OI/O指令，故也叫指令，故也叫 专用专用I/OI/O指令方式指令方式（Special I/O Instruction Special I/O Instruct

9、ion Mode Mode）。）。这些些专用的用的I/OI/O指令通常指令通常有两有两类，即，即输 入指令入指令ININ、输出指令、输出指令OUTOUT及其相关指令组。对于及其相关指令组。对于 不同的微处理器，具有各不相同的指令格式。不同的微处理器，具有各不相同的指令格式。8086/80888086/8088等就采用了等就采用了I/OI/O端口端口单独独寻址方式。址方式。这些指令包含些指令包含直接直接寻址址和和寄存器寄存器间接接寻址址两种两种 类型型。对对于于80868086，采用直接，采用直接寻寻址，址，则则其指令格式其指令格式为为：输输入指令：入指令：IN ALIN AL，PORTPORT

10、 输出指令：出指令：OUT PORT,AL OUT PORT,AL 直接寻址方式的直接寻址方式的端口地址为端口地址为一个字节长一个字节长，可寻，可寻址址256256个端口个端口采用采用间间接接寻寻址，址，则则其指令格式其指令格式为为：输输入指令：入指令：IN ALIN AL，DX DX 输出指令：出指令：OUT DXOUT DX，ALAL 其端口其端口地址地址为两个字两个字节长长，由，由DXDX寄存器间接给寄存器间接给出，可寻址出，可寻址64K64K个（个（8 8位宽）字节端口位宽）字节端口地址，或地址，或32K32K个（个（1616位位宽）字端口。字端口。优点：优点：1.I/O口的地址空间独

11、立，且不占用存储器地址空间。2.地址线较少，且寻址速度相对较快。3.专门I/O指令的使用，使编制的程序清晰，便于理解和检查。1.I/O指令较少，导致程序设计的灵活性较差；2.需要存储器和I/O端口两套控制逻辑，增加了控制逻辑的复杂性。缺点：缺点：8.3 CPU与外设之间的数据传送方式与外设之间的数据传送方式微微机机与与外外设设间间的的数数据据传传送送，实实际际上上是是CPU与与I/O接接口口间间的的数数据据传传送送。CPU与与外外设设间间的的数数据据传传送送通通常常包包括括无无条条件件传传送送、查查询询传传送送、中断传送、中断传送、以及以及DMA方式方式。一、无条件传送方式一、无条件传送方式一

12、、无条件传送方式一、无条件传送方式 无条件传送一般适合于数据传送不太频繁的情况，如对开关、数码显示器等一些简单外设的操作。所谓无条件，就是假设外设已处于就绪状态，数据传送时，程序就不必再去查询外设的状态，而直接执行I/O指令进行数据传输。输入操作：输入操作：IN AL，PORT M/IO=0，RD=0，地址译码有效，输入，地址译码有效，输入 缓冲器被选中。缓冲器被选中。输出操作：输出操作：OUT PORT，AL M/IO=0，WR=0，地址译码有效，输出锁，地址译码有效，输出锁存器被选中。存器被选中。无条件传送接口示意图这种传送方式的输入输出接口电路这种传送方式的输入输出接口电路最简单最简单.

13、只需要设置只需要设置数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器和外设和外设端口地址译码器端口地址译码器即可。即可。输入输出应用条件应用条件：输入时输入时外设必须已准备好数据，外设必须已准备好数据，输出时输出时接口锁存接口锁存器必须为空（器必须为空（即数据已送到锁存器出口，且外设已接收即数据已送到锁存器出口，且外设已接收），），即接口和即接口和I/OI/O设备必须保持设备必须保持“就绪就绪”状态。如下例：状态。如下例：无条件传送的接口电路举例 输出：控制发光输出：控制发光 （端口地址可均为：（端口地址可均为：8000H)8000H)输入：读开关状态输入：读开关状态二、查询传送方式二、查询传送方式二、查询传送方

14、式二、查询传送方式 程程序序控控制制下下的的查查询询传传送送方方式式，又又称称异异步步传传送送方方式式。它它在在执执行行输输入入输输出出操操作作之之前前，需需通通过过测测试试程程序序对对外外部部设设备备的的状状态态进进行行检检查查。当当所所选选定定的的外外设设已已准准备备“就就绪绪”后后，才才开开始始进进行行 输输 入入 输输 出出 操操 作作。查询传送方式流程图 查询传查询传送方式送方式工作流程包括工作流程包括两个两个基本工作环节基本工作环节（1）查询环节 通过读取通过读取状态寄存器状态寄存器的的标志位标志位来检查外设是来检查外设是否否“就绪就绪”。多端口可设多标志位，加入超时判断可防死循环

15、。（2）传送环节 当上一环节完成后，将对数据口实现寻址，并通过输入指令从数据端口输入数据，或利用输出指令从数据端口输出数据。优点：优点：易实现数据准确传送，控制编程容易，适应面宽易实现数据准确传送，控制编程容易，适应面宽缺点：缺点：浪费浪费CPUCPU时间，传送效率低时间，传送效率低应用场合：应用场合：外设对象不多，外设对象不多，CPUCPU负担不重，实时性要求不高。负担不重，实时性要求不高。CPUCPU主动，主动，I/OI/O被动，即被动，即I/OI/O操作由操作由CPUCPU启动。启动。特点：特点：1.1.查询式输入查询式输入查询式输入查询式输入 查询输入接口电路当当输输入入设设备备的的数

16、数据据已已经经准准备备好好后后，一一方方面面将将数数据据送送入入8 8位位锁锁存存器器，另另一一方方面面对对D D触触发发器触发，器触发，使状态信息标志位使状态信息标志位D D0 0为为1 1。当当CPUCPU要要求求外外设设输输入入信信息息时时，先先检检查查状状态态信信息息。若若数数据据已已经经准准备备好好，则则输输入入相相应应数数据据，并并使使状状态态信信息息清清“0 0”。否否则则，等等待待数数据据准准备备“就绪就绪”。工作过程工作过程查询式输入时的数据和状态信息 查询式输入程序流程图 NEXTIN：INA，STATUS-PORT；从状态口输入状态信息 TEST AL，01H ；测试标志

17、位是否为1 JZNEXTIN ；未就绪，继续查询 INAL，DATA-PORT ；从数据端口输入数据 2.2.查询式输出查询式输出查询式输出查询式输出 查询输出接口电路RDRD工工作作过过程程：当输出设备将数据接收并输出后，会发出一个ACK信号，使D触发器翻转为0，表明输出设备“空闲”。CPU查询到这个状态信息后，执行输出指令，将新的输出数据发送到数据总线上，同时把数据口地址发送到地址总线上。由地址译码器产生的译码信号和相“与”后，发出选通信号，将输输出出数数据据送送至至8 8位位锁锁存存器器；同同时时，将将D D触触发发器器置置为为1，并通知外设进行数据输出操作,此时外设为“忙”，CPU不能

18、继续发送数据。查询式输出的端口信息 查询式输出程序流程图 NEXTOUT：IN AL,STATUS_PORT ；从状态口输入状态信息 TEST AL,80H ；测试标志位D7 JNZ NEXTOUT ；未就绪，继续查询 MOV AL,BUF ；从缓冲区BUF取数据 OUT DATA_PORT,AL ；从数据端口输出 三、三、三、三、中断传送方式中断传送方式中断传送方式中断传送方式为了进一步提高CPU的效率和使系统有实时性能，可以采用中断传送方式。在中断传送方式下，当外设准备好时，主主动动向CPU发出中断请求，请求CPU进行数据的输入输出。特点特点：传送数据时，：传送数据时，外设主动申请外设主动

19、申请，CPUCPU“被动被动”响应响应,可节省大量可节省大量CPUCPU的时间，实现的时间，实现外设和外设和CPUCPU并行工作。并行工作。中断传送方式的输入接口电路 中断方式的数据输入 采采用用中中断断传传送送方方式式时时,外外设设处处于于主主动动地地位位,无无需需CPU花花费费大大量量时时间间去去查查询询外外设设的的工工作作状状态态。与与程程序序方方式式相相比比，大大大大提提高高了了CPU的效率。的效率。外设请求中断 INTR有效主程序中断服务程序输入 数据外设准备数据四、四、四、四、DMADMA方式方式方式方式DMA(Direct Memory Access):是是存存储储器器与与外外设

20、设或或存存储储器器之之间间进进行行大大量量数数据据传传送送的的方方法法，是是在在DMA控控制制器器(DMAC)的的控制下进行的。控制下进行的。CPU总 线存储器外设程序控制的数据输入/输出DMADMA与程序控制数据传送路径比较DMADMA与程序控制数据传送路径的比较与程序控制数据传送路径的比较与程序控制数据传送路径的比较与程序控制数据传送路径的比较1.DMA1.DMA传送的工作原理传送的工作原理传送的工作原理传送的工作原理DMA传送原理图DMA工作流程（2）CPU 响响应应后后，接接管管对对总总线线的的控控制制，进进入入 DMA方式。方式。（1 1）能向能向CPU 发出发出 BUSRQ 请求信

21、号。请求信号。（3）能能发发出出地地址址信信息息，并并对对I/O端端口口或或存存储储器器寻寻址。址。2.DMA 2.DMA 控制器的基本功能控制器的基本功能控制器的基本功能控制器的基本功能 （5）决定数据传送的地址和数据传送的长度。）决定数据传送的地址和数据传送的长度。（4 4）发出读、写控制信号。发出读、写控制信号。（6）判判断断DMA 操操作作的的结结束束，撤撤消消总总线线请请求求信信号号，使使CPU 恢复正常工作。恢复正常工作。3.3.DMADMA操作方式操作方式操作方式操作方式 （1）单字节方式 DMADMA控制器操作每次均只控制器操作每次均只传送一个字送一个字节。节。（2）字组方式

22、也叫请求方式或查询方式。这种方式以有也叫请求方式或查询方式。这种方式以有DMADMA请求求为前提，能前提，能够连续传送一批数送一批数据。据。（3）连续连续方式连续操作方式是指在数据块连续操作方式是指在数据块传送的整个过程中传送的整个过程中,不管不管DMADMA请求是否撤消，请求是否撤消，DMADMA控制器始终控制着控制器始终控制着 总线总线。除非传送结束或检索到。除非传送结束或检索到“匹配字节匹配字节”，才把总线控制权交回才把总线控制权交回CPUCPU。特点特点从从DMADMA操作角度来看，以连续方式最快，操作角度来看，以连续方式最快，字组方式次之，单字节方式最慢。字组方式次之，单字节方式最慢。从从CPUCPU的使用效率来看，则正好相反，的使用效率来看，则正好相反，以单字节方式最好，连续方式最差，以单字节方式最好，连续方式最差，字组方式居中。字组方式居中。