第5章输入输出接口.ppt
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1、计算机原理讲义输入/输出接口第五章 输入输出接口计算机原理讲义主要内容 输入输出接口 CPU与外设之间数据传送方式计算机原理讲义要求 着重理解接口基本结构的特点 掌握CPU与外设之间数据的传送方式与控制 方式计算机原理讲义外设种类繁多:机械式、电动式、电子式、电磁式 信号类型复杂:数字量、模拟量、开关量 处理信息速率相差甚远:如手动键盘输入和 磁盘输入 外设数据传递方式:并行,串行计算机原理讲义基本概念第5.1节 基本概念1外设 输入输入/输出设备是外部设备,简称输出设备是外部设备,简称外设外设。微机与外设。微机与外设之间的信息交换称为之间的信息交换称为输入和输出输入和输出。2接口接口接口:外
2、设与总线之间的中间环节,是计算机与外设:外设与总线之间的中间环节,是计算机与外设交换信息的控制电路。交换信息的控制电路。端口端口:接口电路中可以被寻址访问的存储单元。可分:接口电路中可以被寻址访问的存储单元。可分为数据端口、状态端口、控制端口。为数据端口、状态端口、控制端口。CPURAMROMI/O接口接口外设外设计算机原理讲义接口功能数据口数据口状态口状态口控制口控制口D15D15D0D0A15A15A0A0A0A0BHEBHEIORIORIOWIOWI/OI/O装置装置3接口的功能数据缓冲数据缓冲:外设数据输入到总线时需要缓冲。:外设数据输入到总线时需要缓冲。数据锁存数据锁存:总线数据输出
3、到外设时的锁存,解决:总线数据输出到外设时的锁存,解决CPU与外设与外设速度不匹配问题。速度不匹配问题。传输控制命令和状态信息传输控制命令和状态信息:计算机与外设有时需使用:计算机与外设有时需使用硬件握手。例如:计算机利用查询输出到打印机。硬件握手。例如:计算机利用查询输出到打印机。信息转换信息转换:串并转换、数模转换、电平格式转换:串并转换、数模转换、电平格式转换计算机原理讲义I/O端口的编址4I/O端口的编址方式1.I/O端口与存储器统一编址端口与存储器统一编址 把一个外设端口看作存储器的一个单元,占用存储把一个外设端口看作存储器的一个单元,占用存储器的地址空间器的地址空间,利用对存储器的
4、读写操作完成数据的输,利用对存储器的读写操作完成数据的输入和输出。入和输出。优点优点不需要专门的输入输出指令不需要专门的输入输出指令可使用全部对存储器操作的指令,指令数量多可使用全部对存储器操作的指令,指令数量多端口数量多端口数量多缺点缺点占用存储器空间占用存储器空间寻址时地址线数多寻址时地址线数多,译码复杂译码复杂计算机原理讲义I/O端口的编址2.I/O端口独立编址端口独立编址 计算机单独给外设端口编址,计算机单独给外设端口编址,I/OI/O端口具有独立的地端口具有独立的地址空间址空间。计算机需用控制信号区分存储器空间和。计算机需用控制信号区分存储器空间和I/OI/O端口端口空间(例空间(例
5、8086 CPU8086 CPU的的M/IOM/IO)。)。优点优点I/OI/O空间较存储器空间小,地址线少,译码电路相空间较存储器空间小,地址线少,译码电路相对简单。对简单。不占用存储器空间不占用存储器空间缺点缺点要有专门输入输出指令,寻址方式少,不灵活要有专门输入输出指令,寻址方式少,不灵活计算机原理讲义8086 I/O空间58086 I/O空间8086系统使用系统使用16根地址线(根地址线(A15A0)寻址)寻址I/O端口,端口,可寻址可寻址64KB个个I/O端口;端口;偶地址端口数据使用低偶地址端口数据使用低8位数据总线传送,奇地址端位数据总线传送,奇地址端口数据使用高口数据使用高8位
6、数据总线传送;位数据总线传送;奇、偶地址端口的数据传送由奇、偶地址端口的数据传送由BHE和和A0控制;控制;I/O端口的读端口的读/写选通信号为写选通信号为IOR和和IOW。IORIOWM/IORDWR注:注:IBM PC/XT机实际只使用低机实际只使用低10位数据线寻址位数据线寻址I/O端口,寻址端口,寻址1KB个端口。个端口。计算机原理讲义8086 I/O空间计算机系统中,多使用计算机系统中,多使用8位端口。位端口。8086系统的系统的8位端口使位端口使用数据线的低用数据线的低8位传送信息,所以端口地址的编址多为偶位传送信息,所以端口地址的编址多为偶地址。现代的计算机体系中,通过转换电路地
7、址。现代的计算机体系中,通过转换电路8位端口地址位端口地址可以连续编址。可以连续编址。68086输入/输出指令1.输入指令输入指令IN AL,PORTIN AX,PORTIN AL,DXIN AX,DX2.输出指令输出指令OUT PORT,ALOUT PORT,AXOUT DX,ALOUT DX,AX计算机原理讲义CPU对外设的输入输出操作类似于存储器的读写操作,但有外设与存储器有很多不同存储器I/O设备不同点品种有限品种繁多功能单一功能多样传送一个字节传送规律不同与CPU速度匹配与CPU速度不匹配易于控制难于控制结论可与CPU直接连接 需经过I/O电路与CPU连接计算机原理讲义CPU与外设的
8、连接第5.2节 CPU与外设的连接1CPU与外设的一般接口电路(一)端口(一)端口数据口:数据口:用于完成数据的输入或输出。包括:用于完成数据的输入或输出。包括:数字量数字量 如用如用ASCIIASCII码表示的数和字符码表示的数和字符模拟量模拟量 如经如经DAC转换输出的电流转换输出的电流开关量开关量 如以一位二进制表示的量如以一位二进制表示的量数据口数据口状态口状态口控制口控制口D15D15D0D0A15A15A0A0A0A0BHEBHEIORIORIOWIOWI/OI/O装置装置计算机原理讲义CPU与外设的连接控制口控制口 控制口为一个输出接口,用于控制外设的启动控制口为一个输出接口,用
9、于控制外设的启动(STARTSTART)、停止()、停止(STOPSTOP)或数据的选通()或数据的选通(STBSTB)等,具体)等,具体由外设的要求而定。由外设的要求而定。状态口状态口CPU通过通过状态口状态口了解外设状态。了解外设状态。如:如:l输入外设是否准备好(输入外设是否准备好(READY)l转换是否结束(转换是否结束(EOC)l输出装置是否忙(输出装置是否忙(BUSY)控制信息和状态信息一般也由数据总线传送。控制信息和状态信息一般也由数据总线传送。计算机原理讲义CPUMEMI/O电路电路I/O设备设备ABCB控制线控制线状态线状态线数据线数据线DBCPU与与I/O设备的连接示意图设
10、备的连接示意图计算机原理讲义CPU和和主存主存外存设备接口外存设备接口显示显示/声音设备接口声音设备接口工业控制接口工业控制接口通信设备接口通信设备接口输入设备控制器输入设备控制器输出设备控制器输出设备控制器硬盘、磁盘、磁带、光盘硬盘、磁盘、磁带、光盘显示器显示器数数/模、模模、模/数转换器数转换器调制解调器、网卡调制解调器、网卡键盘、鼠标、光笔键盘、鼠标、光笔激光打印机、针式打印机激光打印机、针式打印机计算机计算机I/O系统结构图系统结构图计算机原理讲义接口电路基本结构 接口电路基本结构同传送信息种类有关。可分为:数据信息,状态信息,控制信息 CPUI/O数据数据I/O缓冲器缓冲器状态寄存器
11、状态寄存器命令控制命令控制寄存器寄存器中断控制逻辑中断控制逻辑接口接口ABDBM/IORDWRINTRDATASTATUSCONTROL(端口地址端口地址)计算机原理讲义1.3种性质不同信息,经不同端口分别传送。每个端口都有自己的端口地址,用不同的端口地址来区分不同信息。2.用输入输出指令寻址外设时,外设状态作为一种输入数据,而CPU控制命令,是作为 一种输出数据,从而可通过数据总线分别传送。3.端口地址由CPU地址总线的低8位或低16位 地址信息来确定,CPU根据I/O指令提供的端口地址来寻址端口。计算机原理讲义数据信息 1.数字量:由键盘、磁盘等读入的信息,或主 机送给打印机,显示器等的信
12、息 2.模拟量:计算机用于检测、数据采集或控制 时,现场信息是连续变化的物理量 (温度、压力等)。需A/D转换。3.开关量:两个状态,如开关的闭合/断开等 用一位0或1二进制数表示。计算机原理讲义2.状态信息 外设当前所处工作状态信息,CPU与外设间可靠交换数据条件。输入时:告知CPU有关输入设备数据是否准备好(Ready=1?)输出时:告知CPU输出设备是否空闲(Busy=0?)CPU通过接口电路掌握输入输出设备的状态,以决定可否输入或输出数据。计算机原理讲义3.控制信息 用于控制外设的启动或停止。计算机原理讲义CPU与外设的数据传送方式直接程序控制方式 无条件程控传送方式 有条件程控传送方
13、式(查询方式)中断控制方式 直接存储器存取(DMA)控制方式计算机原理讲义程序传送 CPU与外设间的数据交换在程序控制下进行。即IN或OUT指令控制。无条件程控传送方式 有条件程控传送方式(查询方式)计算机原理讲义 无条件传送又称同步传送,这种传送方式在传送数据之无条件传送又称同步传送,这种传送方式在传送数据之前不查询简单外设(如开关、继电器、前不查询简单外设(如开关、继电器、7段显示器、机械式段显示器、机械式传感器等)状态,而只对其在规定的时间直接用传感器等)状态,而只对其在规定的时间直接用IN或或OUT指指令来进行信息的输入或输出。在这种方式下,外设总是处于令来进行信息的输入或输出。在这种
14、方式下,外设总是处于“待命待命”状态,可跟进其固定的时序或已知的时序,将状态,可跟进其固定的时序或已知的时序,将IN或或OUT指令插在程序中,当程序执行到该条指令时,就开始输指令插在程序中,当程序执行到该条指令时,就开始输入或输出数据。显然,这种传送方式的实质是用程序来定时入或输出数据。显然,这种传送方式的实质是用程序来定时同步传送数据。同步传送数据。计算机原理讲义端口端口译码器译码器数据数据输入输入缓冲器缓冲器端口端口数据数据输出输出锁存器锁存器端口端口输入数据输入数据输出数据输出数据ABM/IORDWRDB计算机原理讲义输入数据时,由于数据保持时间相对于CPU处理时间长得多,故输入端可直接
15、用输入缓冲器与CPU的数据总线相连。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,锁存允许段无效,DB新数据不能进入锁存器计算机原理讲义CPU与外设的数据传送方式(一)无条件传送(一)无条件传送 传送数据之前,传送数据之前,CPUCPU不需要检不需要检测外设是否准备就绪测外设是否准备就绪,程序,程序中直接使用中直接使用ININ和和OUTOUT命令来完命令来完成输入和输出。也叫注入式成输入和输出。也叫注入式或或命令式命令式。1.无条件输入无条件输入MOV DX,0160HIN AL,DX接口接口电路电路IOR三态三态缓冲缓冲器器OEI/O装置装置地址地
16、址译码译码器器CSD7D0A15A1A0160H若将若将IOR换作换作MEMR则可使用则可使用MOV AL,160HI/OI/O读周期时序读周期时序T1T1T2T2T3T3T4T4T1T1地址地址数据数据CLKCLKA ABHEBHED DIORIOR70150计算机原理讲义CPU与外设的数据传送方式2.无条件输出无条件输出MOV DX,0160HMOV AL,BXOUT DX,ALBX中存放需要输出到中存放需要输出到I/O接口的内容接口的内容地址地址译码译码器器数据数据锁存锁存器器A15A1IOWA0CS160H输出输出设备设备D7D0T1T1T2T2T3T3T4T4T1T1地址地址数据数据
17、CLKCLKM/IOM/IOBHEBHEADADALEALEWRWRDT/RDT/RDENDENREADYREADY150I/OI/O写周期时序写周期时序I/OI/O写周期时序写周期时序T1T1T2T2T3T3T4T4T1T1地址地址数据数据CLKCLKA ABHEBHED DIOWIOW70150计算机原理讲义CPU与外设的数据传送方式2.无条件输出无条件输出T1T1T2T2T3T3T4T4T1T1地址地址数据数据CLKCLKM/IOM/IOBHEBHEADADALEALEWRWRDT/RDT/RDENDENREADYREADY150I/OI/O写周期时序写周期时序I/OI/O写周期时序写周
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- 第5章 输入输出接口 输入输出 接口
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