基本输入输出接口技术.ppt

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1、 本章主要教学内容本章主要教学内容 输入输出接口技术的概念和功能输入输出接口技术的概念和功能 CPU与与I/O接接口口之之间间传传递递的的信信息息类类型型及及I/O端口的编址方式端口的编址方式 CPU与与外外部部设设备备之之间间数数据据传传送送方方式式的的原原理理、特点及应用特点及应用第第6 6章章 基本输入基本输入/输出输出 接口技术接口技术6.1 接口技术概述接口技术概述 微微型型计计算算机机系系统统的的输输入入和和输输出出通通常常是是指指计计算算机机与与外外部部设设备备之之间间的的信信息息交交换换，也也称称为为通通信信。在在微微型型计计算算机机中中，各各种种外外部部设设备备与与计计算算机

2、机之之间间的的通通信信是是通通过过接接口口实实现现的的。接接口口部部件件起起着着数数据据缓缓冲、隔离、数据格式交换、寻址、同步联络和定时控制等作用。冲、隔离、数据格式交换、寻址、同步联络和定时控制等作用。6.1.1 输入输出接口的概念与功能输入输出接口的概念与功能1.1.输入输出接口的概念输入输出接口的概念 通常，一种外部设备与微型计算机相连接是需要一个接口通常，一种外部设备与微型计算机相连接是需要一个接口电路的，通常称之为电路的，通常称之为I/OI/O接口。为什么一个外部设备与微型计接口。为什么一个外部设备与微型计算机连接需要一个接口电路呢算机连接需要一个接口电路呢?这是因为计算机的外部设备

3、种这是因为计算机的外部设备种类繁多，具备的功能不同，工作速度上也有较大的差异，因此，类繁多，具备的功能不同，工作速度上也有较大的差异，因此，计算机的外部设备与计算机的外部设备与CPUCPU连接时，必然会带来一些问题。连接时，必然会带来一些问题。归纳起来有以下4个方面：（1）工作速度的匹配问题（2）工作时序的配合问题（3）信息表示格式上的一致性问题（4）信息类型与信号电平的匹配问题 为了解决上述问题，就需要在CPU与外部设备之间连接接口设备。所谓接口是指CPU和存储器、外部设备或者两种外部设备之间，或者两种机器之间通过系统总线进行连接的逻辑部件（或称电路），它是CPU与外界进行信息交换的中转站。

4、源程序和原始数据通过接口从输入设备（例如键盘）送入，运算结果通过接口向输出设备（例如CRT显示器、打印机）送出去；控制命令通过接口发出去（例如步进电机），现场信息通过接口取进来（例如温度值、转速值）。2.2.输入输出接口的功能输入输出接口的功能一般情况下，计算机的输入输出接口应该具备下述功能：（1）寻址功能（2）输入/输出功能（3）数据转换功能（4）联络功能（5）中断管理功能（6）接收复位信号并对接口进行初始化（7）可编程功能（8）检测错误的功能 6.1.2 CPU与与I/O接口之间传递的信息类型接口之间传递的信息类型 计算机的CPU与一个输入/输出设备进行信息交换时，通常需要3类信息，即数据

5、信息、状态信息和控制信息，如图6-1所示。1.数据信息（1）数字量：数字量可以是二进制形式表示的数据，或以ASCII码表示的数据及字符。（2）模拟量：当微型计算机用于检测或过程控制时，传感器把现场大量的非电量如温度、压力、差压、流量、物质成分等信息转换成电信号，并经过放大器放大，然后经过采样器和模/数转换器变成数字信号才能被计算机接收。（3）开关量：开关量是具有两个状态的量，如开关的闭合与断开，阀门的打开与关闭，电机的启动与停止等。图6-1 CPU与I/O接口之间传递的信息 2.状态信息状态信息通常表示外部设备或接口部件本身的状态，是从接口送往CPU的信息。在输入时，通常用准备就绪（READY

6、）信号来表示待输入的数据是否准备好；在输出时，通常用忙（BUSY）信号来表示输出设备是否处于空闲状态。如果为空闲状态，则CPU可以执行输出指令，向该外设传送数据信息，如果处于忙状态，则CPU等待。3.控制信息控制信息是CPU通过数据总线传给接口中的控制寄存器的信息。最常见的控制信息主要有使外部设备启动或停止的控制信息。数据信息、状态信息和控制信息是不同性质的信息，应分别进行传送。但是，在大部分微型计算机中只有通用的输入指令和输出指令，因此外部设备的状态、控制信息也被广义地当作一种数据信息，通过数据总线传送。6.2 接口部件的IO端口6.2.1 I/O端口每个接口部件都包含一组寄存器I/O端口，

7、相应有端口地址。v数据端口、状态端口、控制端口（命令口）v一个双向工作的接口芯片通常有4个端口：数据出、入、状态、控制。v只需共用两个端口地址号。v图6.2 外设通过接口与系统的连接 图6-2 外设通过接口与系统的连接 6.2.2 I/O端口的编址方式接口中的寄存器又叫做I/O端口，每一个端口有一个编号，叫做端口号，又叫端口地址。数据寄存器就是数据端口，用于对来自CPU和外设的数据起缓冲作用。状态寄存器就是状态端口，用来存放外部设备或者接口部件本身的状态。CPU通过对状态端口的访问和测试，可以知道外部设备或接口本身的当前状态。控制寄存器就是控制端口，用来存放CPU发出的控制信息，以控制接口和外

8、部设备的动作。也可以说，CPU与外部设备之间传送信息都是通过数据总线写入端口或从端口中读出的，所以，CPU对外部设备的寻址，实质上是对I/O端口的寻址。在微型计算机系统中，I/O接口的地址编排大都采用能够单独编址方式，其地址空间独立于存储器，不占用存储空间，该编址方式下，CPU访问I/O端口必须采用专用的I/O指令，所以也叫专用I/O指令方式。独立编址方式的主要优点是可以节省内存空间，由于系统需要的I/O端口寄存器一般比存储器单元要少得多，故I/O地址线较少，因此I/O端口地址译码较简单，寻址速度较快。其缺点是由于专用I/O指令类型少，远不如存储器访问指令丰富，使程序设计灵活性较差。6.2.3

9、 I/O端口的地址译码电路6.2.4 数据锁存器与缓冲器 6.3 CPU与外设间数据传送方式 计算机的外部设备通常有外存设备（如磁盘、光盘）、输入设备（如键盘、鼠标）、输出设备（如显示器、打印机）、办公设备（如扫描仪、绘图仪、数字化仪）、多媒体设备、通信设备以及总线设备等。计算机接上某种外部设备之后，计算机与外部设备之间就要进行数据交换。但由于外部设备与存储器不同，它们用各自不同的速度在工作，而且它们的工作速度相差很大，有些外部设备的工作速度极高，有些则很低。因此需要用某种方法调整数据传输时的定时，这种方法称为输入/输出控制。输入/输出控制方式通常有四种方式，即程序传送方式、中断传送方式、DM

10、A传送方式和I/O处理机方式。其中程序传送方式又可分为无条件传送方式和条件传送方式两种。6.3.1 无条件传送方式无条件传送方式 如果程序员能够确认个外部设备已经准备好，则在传送数据之前就不必查询外设的状态，直接执行输入指令或输出指令即可实现数据的传输。这就是无条件传送方式，也称为同步传送方式，主要用于外设的定时是固定的或已知的场合 无条件传送方式的原理图可参见图6-3所示。图6-3 无条件传送方式工作原理6.3.2 查询传送方式查询传送方式 查询传送方式也称为条件传送方式。采用这种传送方式时，微型计算机在执行个I/O操作之前，必须先对外部设备的状态进行测试。也就是微处理器在执行输入/输出指令

11、读取数据之前，要通过执行程序不断地读取并测试外部设备的状态。查询传送方式中，完成一个数据传送的步骤如下：（1）微处理器用输入指令从接口中的状态端口读取状态字；（2）微处理器测试所读取的状态字的相应状态位是否满足数据传输的条件，如果不满足，则回到第（1）步，继续读状态字；（3）如果状态位表明外部设备已满足传输数据的条件，则进行传送数据的操作。采用查询方式进行数据输入的接口电路工作原理如图6-4所示。图6-4 查询方式数据输入的接口电路 其工作原理分析如下：计算机的输入设备在数据准备好以后，就往接口发一个选通信号STB，该选通信号将准备好的数据锁入锁存器，同时将接口中的D触发器置1，表明锁存器中有

12、数据，它作为状态信息，使接口中三态缓冲器的READY位置1。数据信息和状态信息从数据端口和状态端口经过数据总线送入微处理器。根据查询方式传送的三个步骤，微处理器从外设输入数据时，先读取状态字并检查状态字的相应位，查明数据是否准备就绪，即数据是否已进入接口的锁存器中，如果准备就绪，则执行输入指令，读取数据，此时将状态位清零，这样便开始下一个数据传输过程。查询输入部分的参考程序如下：POLL：MOV DX，STATUS-PORT ；状态端口号送DXIN AL，DX ；输入状态信息TEST AL，80H ；检查Ready是否为高电平JE POLL ；如果未准备好，进行循环检测MOV DX，DATA-

13、PORT ；准备就绪，读入数据IN AL，DX 采用查询方式进行数据输出的接口电路工作原理如图6-5所示。图6-5 查询式数据输出的接口电路 6.3.3 中断控制方式中断控制方式 在采用查询方式进行交换数据时，CPU要不断地读取状态信息，检查输入设备是否已准备好数据，输出设备是否忙碌或输出缓冲器是否已空。若外设没有准备就绪，CPU就必须反复查询，进入循环等待状态，使CPU的工作效率降低。为了提高CPU的利用效率和进行实时数据处理，CPU常采用中断方式与外设进行数据交换。采用中断传送方式可以大大提高工作效率。该方式的工作原理是：当外设要求交换数据（比如打印机请求一个打印字符）时，可向CPU发出中

14、断请求，CPU在执行完当前指令后，即可中断当前任务的执行，并根据中断源（即中断发出者）是谁，而转入相应的中断处理服务程序，以实现对请求中断外设的管理。为了在中断处理之后能正确返回被中断的程序继续执行，在转入中断处理程序时，CPU应保护好当时的现场（如标志位、其它寄存器等）和断点。在中断结束返回时，再恢复现场和断点，继续执行原来的程序。6.3.4 DMA控制方式控制方式 DMA（Direct Memory Access）传送方式又称为直接存储器存取方式，实际上就是在存储器与外设间开辟一条高速数据通道，使外设与内存之间直接交换数据。这一数据通道是通过DMA控制器来实现的。在DMA传送期间，不需要C

15、PU的任何干预，而是由DMA控制器控制系统总线，在其控制下完成数据传输任务。DMA传送方式实际上是把外设与内存交换信息的操作与控制交给了DMA控制器，简化了CPU对输入输出的控制。但这种方式显然电路结构复杂，硬件开销大。DMA控制方式的传送过程如图6-7所示。下面我们分析如何将内存中的一个数据块传送给一个外设（例如硬盘）。首先，应由CPU告诉DMA控制器：DMA传送的数据是由内存向外设传送、数据在内存的首地址、数据块长度，然后CPU启动DMA与外设。此后的传送完全由DMA控制器来管理，CPU可去干其他工作（但不能访问系统总线）。图6-7 DMA传送原理示意图 通常，DMA控制器应该具备以下功能

16、：能向CPU发出要求控制总线的DMA请求信号DRQ；当收到CPU发出的HLDA信号后能接管总线进入DMA模式；能发出地址信息对存储器寻址并能修改地址指针；能发出存储器和外设的读、写控制信号；能决定传送的字节数，并能判断DMA传送是否结束；能接受外设的DMA请求信号和向外设发DMA响应信号；能发出DMA结束信号，使CPU恢复正常。6.3.5 I/O6.3.5 I/O处理机方式处理机方式 随着微型计算机系统的扩大、外设的增多以及性能的提高，CPU对外设的管理服务任务不断加重。为了提高整个系统的效率，CPU需要摆脱对I/O设备的直接管理和频繁的输入/输出业务。于是专门用来处理输入/输出的I/O处理机

17、（IOP）应运而生。例如Intel 8089就是一种专门配合Intel8086而使用的I/O处理芯片。以Intel 8089为例，IOP在完成任务时具备以下手段：（1）拥有自己的指令系统。有些指令专门为I/O操作而设计，可以完成外设监控、数据拆卸装配、码制转换、校验检索、出错处理等任务。也就是说，它可以独立执行自己的程序。（2）支持DMA传送。Intel8089内有两条DMA通道。本章小结 CPUCPU与与I/OI/O设设备备之之间间要要传传送送的的信信息息包包括括数数据据信信息息、状状态态信信息息和和控控制制信信息息。各各种种外外部部设设备备与与计计算算机机之之间间的的通通信信是是通通过过接

18、接口口实实现现的的。接接口口是是指指CPUCPU和和存存储储器器、外外部部设设备备或或者者两两种种外外部部设设备备之之间间，或或者者两两种种机机器器之之间间通通过过系系统统总总线线进进行行连连接接的的逻逻辑辑部部件件，它它是是CPUCPU与与外外界界进进行行信信息息交交换换的的中中转转站站。对对I/OI/O端端口口的的访访问问，则则取取决决于于I/OI/O端端口口的的编编址址方方式式。常常用用的的编编址址方方式式有有统一编址和独立编址。统一编址和独立编址。接接口口技技术术是是采采用用硬硬件件与与软软件件相相结结合合的的方方法法，研研究究微微处处理理器器如如何何与与外外部部世世界界进进行行最最佳佳匹匹配配，以以实实现现CPUCPU与与外外界界高高效效、可可靠靠的的信信息息交交换换的的一一门门技技术术。CPUCPU与与外外设设之之间间的的数数据据传传输输必必须须采采用用多多种种控控制制方方式式，才才能能满满足足各各类类外外设设的的要要求求。在在微微型型计计算算机机中中，可可采采用用的的输输入入输输出出控控制制方方式式主主要要有有程程序序控控制制方方式式、中断方式和中断方式和DMADMA方式等。方式等。