【教学课件】第2章输入输出技术.ppt
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1、计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 第第2 2章章 输入输出技术输入输出技术 2.1 2.1 概述概述 在微型计算机系统的应用中,在微型计算机系统的应用中,CPUCPU除与内存交换信息外,还除与内存交换信息外,还必然要经常与各种外部设备交换信息。主机与外设进行信必然要
2、经常与各种外部设备交换信息。主机与外设进行信息交换过程主要是完成数据输入或输出的传送操作。输入息交换过程主要是完成数据输入或输出的传送操作。输入或输出操作的确切含义是有选择地启动被微处理器选中的或输出操作的确切含义是有选择地启动被微处理器选中的外部设备,以便使其接收来自外部设备,以便使其接收来自CPUCPU的数据或向的数据或向CPUCPU送入数据。送入数据。数据传送的方向标准通常以微处理器为中心,当数据是由数据传送的方向标准通常以微处理器为中心,当数据是由外部设备,如键盘、纸带读入机、光笔等设备向外部设备,如键盘、纸带读入机、光笔等设备向CPUCPU送入时,送入时,称为输入传送;而当数据自称为
3、输入传送;而当数据自CPUCPU送到如发光二极管、七段显送到如发光二极管、七段显示器、示器、CRTCRT显示器、点阵打印机、绘图仪等设备时,称为输显示器、点阵打印机、绘图仪等设备时,称为输出传送。出传送。当实现一个数据的输入输出操作时,当实现一个数据的输入输出操作时,CPUCPU必须在众多的外部必须在众多的外部设备中寻找一个确定的设备,而如何寻找这一特定的外部设备中寻找一个确定的设备,而如何寻找这一特定的外部设备就是输入输出寻址方式所解决的问题。当找到一个确设备就是输入输出寻址方式所解决的问题。当找到一个确定的外部设备以后,接下来的问题就是如何同它进行信息定的外部设备以后,接下来的问题就是如何
4、同它进行信息交换,这就是输入输出控制方式所解决的问题。交换,这就是输入输出控制方式所解决的问题。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 2.2 2.2 输入输出的寻址方式输入输出的寻址方式 1 1 存储器映象寻址方式存储器映象寻址方式 存储器映象寻址方式的主要优点是:存储
5、器映象寻址方式的主要优点是:(1 1)指令丰富。)指令丰富。所有存储器访问指令都可以用来处理所有存储器访问指令都可以用来处理I/OI/O操作,而不使用操作,而不使用专用的专用的I/0I/0指令。在微型机的指令系统中,存储器操作指令数量多,功能强,指令。在微型机的指令系统中,存储器操作指令数量多,功能强,寻址方式灵活,这给程序设计带来了方便,同时也大大增强了系统的寻址方式灵活,这给程序设计带来了方便,同时也大大增强了系统的I/0I/0功功能,使能,使I/0I/0端口不仅能完成数据的传送,还能对端口的内容进行算术逻辑运端口不仅能完成数据的传送,还能对端口的内容进行算术逻辑运算或移位等。算或移位等。
6、(2 2)I/OI/O端口空间大。端口空间大。由于在存储器空间中划出一个区域作为由于在存储器空间中划出一个区域作为I/OI/O端口地址端口地址空间,所以系统中的空间,所以系统中的I/OI/O端口数目几乎不受限制,其最大数目只受系统的存端口数目几乎不受限制,其最大数目只受系统的存储容量的限制。这对大型控制或数据通讯系统等一些特殊场合是很有用处储容量的限制。这对大型控制或数据通讯系统等一些特殊场合是很有用处的。的。(3 3)寻址的控制逻辑比较简单。)寻址的控制逻辑比较简单。这种寻址方式的主要缺点是:这种寻址方式的主要缺点是:(1 1)I/OI/O端口占用了一部分存储器地址空间,端口占用了一部分存储
7、器地址空间,使可用的内存空间相对减少。使可用的内存空间相对减少。另外,当所有地址都必须做为存储器单元使用时,则不能采用这种方法。另外,当所有地址都必须做为存储器单元使用时,则不能采用这种方法。(2 2)对对外外设设的的访访问问和和对对存存储储器器的的访访问问一一样样,必必须须对对全全部部地地址址线线译译码码,因因而而地址译码电路比较复杂。地址译码电路比较复杂。(3 3)存储器操作指令字节长,)存储器操作指令字节长,需要较长的执行时间,降低了需要较长的执行时间,降低了I/OI/O操作速度。操作速度。(4 4)用存储器指令来处理输入)用存储器指令来处理输入/输出,输出,在程序清单中不易区别,给程序
8、的在程序清单中不易区别,给程序的设计,分析和调试带来一定的困难。设计,分析和调试带来一定的困难。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 输入输出的寻址方式输入输出的寻址方式 2 I/O2 I/O映象寻址方式映象寻址方式 I/OI/O映象寻址方式的主要优点是:映象寻址方式的
9、主要优点是:(1 1)I/OI/O空间与存储器空间各自独立,空间与存储器空间各自独立,可分开设计。可分开设计。(2 2)由于采用单独的)由于采用单独的I/OI/O指令,指令,其助记符与存储器指令明显不同,其助记符与存储器指令明显不同,因而使程序编制清晰,易于理解。因而使程序编制清晰,易于理解。(3 3)I/OI/O地址线较少,地址线较少,所以译码电路简单。所以译码电路简单。(4 4)I/OI/O指令格式短,指令格式短,执行时间快。执行时间快。这种寻址方式的主要缺点是:这种寻址方式的主要缺点是:(1 1)需需要要专专门门的的I/OI/O指指令令,且且这这些些指指令令一一般般不不如如存存储储器器访
10、访问问指指令令丰富,程序设计灵活性较差。丰富,程序设计灵活性较差。(2 2)参加译码的地址线较少,)参加译码的地址线较少,使外设端口数目受到限制。使外设端口数目受到限制。(3 3)采采用用专专用用的的I/OI/O周周期期和和专专用用的的I/OI/O控控制制线线,这这不不仅仅使使微微处处理理器器有有限限的的引引脚脚更更加加紧紧张张,而而且且也也增增加加了了控控制制逻逻辑辑的的复复杂杂性性。最最小小模模式式下下的的80888088则则用用M/IOM/IO信信号号来来区区分分存存储储器器或或I/OI/O端端口口的的访访问问。最最大大模模式式下下的的80888088与与协协处处理理器器80878087
11、连连接接,引引脚脚更更为为紧紧张张,只只有有通通过过输输出出三三个个总总线线周周期期信信号号,再再由由82888288总总线线控控制制器器解解读读后后生生成成存存储储器器读读/写、写、I/OI/O读读/写的控制信号。写的控制信号。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 8
12、0888088专用专用I/OI/O指令指令 对于采用直接寻址方式,其指令格式为:对于采用直接寻址方式,其指令格式为:输入指令:输入指令:IN ALIN AL,n n和和IN AXIN AX,n n输出指令:输出指令:OUT nOUT n,ALAL和和OUT nOUT n,AX AX 对于采用间接寻址方式,其指令格式为:对于采用间接寻址方式,其指令格式为:输入指令:输入指令:IN ALIN AL,DXDX和和IN AXIN AX,DXDX输出指令:输出指令:0UT DX0UT DX,ALAL和和OUT DXOUT DX,AX AX 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCI
13、ENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 门电路组合法门电路组合法常见的端口地址选择方法有三种:常见的端口地址选择方法有三种:门电路组合法、译码器译码法、门电路组合法、译码器译码法、比较器比较法比较器比较法。门电路组合法门电路组合法是最简单的一种端口地址选择方法,它采用常见的是最简单的一种端口地址选择方法,它采用常见的逻辑门电路,比如与
14、门、或门、非门等作为基本的组合元件。逻辑门电路,比如与门、或门、非门等作为基本的组合元件。一般端口都是指寄存器、锁存器或缓冲器,这些器件都有一个芯一般端口都是指寄存器、锁存器或缓冲器,这些器件都有一个芯片选择信号,简称片选信号,多数是低电平有效,当然,也有一片选择信号,简称片选信号,多数是低电平有效,当然,也有一些芯片没有片选信号,而是有使能端,或脉冲控制端,总之是使些芯片没有片选信号,而是有使能端,或脉冲控制端,总之是使器件产生动作的控制端。器件产生动作的控制端。端口地址选择的目的,是当地址线上出现某种信息组合时,在电端口地址选择的目的,是当地址线上出现某种信息组合时,在电路的输出端会产生一
15、个有效信号(有效信号有四种状态,即高电路的输出端会产生一个有效信号(有效信号有四种状态,即高电平、低电平、上跳沿、下降沿,具体使用哪种状态,视所使用器平、低电平、上跳沿、下降沿,具体使用哪种状态,视所使用器件而定),该信号连到器件的控制端,使器件产生动作,从而完件而定),该信号连到器件的控制端,使器件产生动作,从而完成成I/OI/O端口的读端口的读/写操作。写操作。这种方法简单、直观,适合于单个端口,常用的基本门电路有这种方法简单、直观,适合于单个端口,常用的基本门电路有74007400(2 2输入输入4 4与非门)、与非门)、74087408(2 2输入输入4 4与门)、与门)、742074
16、20(4 4输入双与非输入双与非门)、门)、74307430(8 8输入与非门)、输入与非门)、74027402(2 2输入输入4 4或非门)、或非门)、74327432(2 2输入输入4 4或门)、或门)、74047404(六反相器)等等。(六反相器)等等。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHN
17、OLOGY吉林大学吉林大学 译码器译码法译码器译码法 这是最常用的一种方法,就是利用译码器芯片对地址进行译码。这是最常用的一种方法,就是利用译码器芯片对地址进行译码。PC/XTPC/XT微型机系统板上接口芯片的端口地址译码采样了一个微型机系统板上接口芯片的端口地址译码采样了一个74LS13874LS138译码译码电路。这些芯片也都有片选信号,电路。这些芯片也都有片选信号,74LSl3874LSl38译码器的输出与这些芯片的片译码器的输出与这些芯片的片选信号连接。各接口芯片内部有多个寄存器,因而应有多个端口地址。选信号连接。各接口芯片内部有多个寄存器,因而应有多个端口地址。译码器只直接使用译码器
18、只直接使用A A9 9A A5 5,其余的低,其余的低5 5位地址位地址A A4 4A A0 0末接,留给各接口芯片末接,留给各接口芯片自行内部译码,以便寻址多个寄存器。显然,由于自行内部译码,以便寻址多个寄存器。显然,由于A A4 4A A0 0未接到译码器,未接到译码器,所以每个译码器的输出端对应所以每个译码器的输出端对应2 25 5=32=32个端口地址,其地址范围依次是:个端口地址,其地址范围依次是:8237 000H 8237 000H 01FH 01FH8259 020H 8259 020H 03FH 03FH8253 040H 8253 040H 05FH 05FH8255 06
19、0H 8255 060H 07FH 07FHDMADMA页面寄存器页面寄存器 080H 080H 09FH 09FHNMINMI屏蔽寄存器屏蔽寄存器 0A0H 0A0H 0BFH 0BFH保留的保留的 0C0H 0C0H 0DFH 0DFH保留的保留的 0E0H 0E0H 0FFH 0FFH系系统统为为每每个个接接口口芯芯片片预预留留出出3232个个端端口口地地址址,至至于于每每个个接接口口芯芯片片用用多多少少,则视接口芯片内部寄存器的数目而定。则视接口芯片内部寄存器的数目而定。译码器译码法可以方便地对多个地址进行译码,适合于多个端口的电路。译码器译码法可以方便地对多个地址进行译码,适合于多个
20、端口的电路。常用的译码器有常用的译码器有74139/7415574139/74155(双(双2 2线线-4-4线译码器)、线译码器)、7413874138(3 3线线-8-8线译线译码器)、码器)、7415474154(4 4线线-16-16线译码器)。线译码器)。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TE
21、CHNOLOGY吉林大学吉林大学 比较器比较法比较器比较法这是比较灵活的一种方法,就是这是比较灵活的一种方法,就是利用数码比较器把地址线利用数码比较器把地址线上的地址同预定的地址相比较上的地址同预定的地址相比较,进而确定地址是否相符。,进而确定地址是否相符。如果比较后两个地址相等,则表示地址总线送来的端口地如果比较后两个地址相等,则表示地址总线送来的端口地址就是该端口的地址。址就是该端口的地址。用比较器比较法进行端口地址译码不仅原理直观,方法简用比较器比较法进行端口地址译码不仅原理直观,方法简便,更主要的是通过改变预设置,就能够很容易地改变接便,更主要的是通过改变预设置,就能够很容易地改变接口
22、电路中端口的地址,而不需要改变线路,使用非常灵活。口电路中端口的地址,而不需要改变线路,使用非常灵活。在一些通用接口模板中,这一方法已得到广泛的应用。在一些通用接口模板中,这一方法已得到广泛的应用。常用的比较器有常用的比较器有74857485(4 4位数字比较器)、位数字比较器)、7468874688(8 8位数字位数字比较器)。比较器)。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE
23、 AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 2.3 2.3 输入输出控制方式输入输出控制方式 I/OI/O设备与存储器区别:设备与存储器区别:1 1存存储储器器的的工工作作速速度度几几乎乎和和中中央央处处理理机机一一样样,而而大大多多数数I/OI/O设设备备工工作作较较慢慢,且且不不同同的的I/OI/O设设备备又又有有不不同同的的工工作作速度。速度。2 2存存储储器器的的字字长长一一般般是是以以字字节节为为单单位位或或等等于于机机器器字字长长,而而I/OI/O设设备备传传送送的的过过程程中中可可能能是是8 8位位数数据据,也也可
24、可能能是是1 1位位,2 2位位不等的状态或控制信息。不等的状态或控制信息。3 3存存储储器器中中的的信信号号形形式式与与CPUCPU相相同同,而而I/OI/O设设备备可可能能是是数数字字信信号号也也可可能能是是模模拟拟信信号号,可可能能是是电电压压信信号号也也可可能能是是电流信号,可能是并行的也可能是串行的等等。电流信号,可能是并行的也可能是串行的等等。4 4存存储储器器的的控控制制信信号号主主要要是是读读/写写信信号号,而而I/OI/O设设备备一一般般有有多多种种控控制制信信号号,如如设设备备工工作作,空空闲闲等等状状态态信信号号,设设备的启动,清除等控制信号。备的启动,清除等控制信号。这
25、些差异都使得这些差异都使得I/OI/O数据传送过程较为复杂,随之而来的就数据传送过程较为复杂,随之而来的就是根据不同设备需采用不同的传送方式,相应的也就要采是根据不同设备需采用不同的传送方式,相应的也就要采用不同的控制方式。用不同的控制方式。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学
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