输入与输出课件.ppt

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1、输入与输出2023/4/112023/4/111 1第1页，此课件共23页哦1 基本概念基本概念CPUCPU的的外外设设种种类类繁繁多多，在在电电平平，功功率率，速速度度，信信息息形形式式上与上与CPUCPU有很大的差别。有很大的差别。有许多矛盾需解决，而不能简单的连接。有许多矛盾需解决，而不能简单的连接。要解决的问题：要解决的问题：CPU如何对如何对I/O寻址寻址CPU如何与不同速度的外设配合工作如何与不同速度的外设配合工作CPU如何与大量外设协调工作如何与大量外设协调工作CPU如何在电平，功率上与外设协调工作如何在电平，功率上与外设协调工作CPU如何与不同信息形式的外设配合工作如何与不同信

2、息形式的外设配合工作2023/4/112023/4/112 2第2页，此课件共23页哦执行执行CPU的命令的命令 CPU对被控对象外部设备的控制命令是以命令代码的形式先发送到接口的命令寄存器，即命令端口。接口的命令寄存器，即命令端口。返回外设状态返回外设状态 如，“忙”、“闲”、“准备就绪”、“未准备就绪”等状态，接口中一般设置状态寄存器，即状态端口。即状态端口。数据缓冲数据缓冲 为了解决高速主机和低速外设的矛盾，避免因速度不匹配而丢失数据，接口中一般都设置数据缓冲器。信号转换信号转换 外设所需的控制信号和它所提供的状态信号往往与系统的总线信号不兼容，信号转换是接口的一个重要任务。设备选择设备

3、选择数据宽度与数据格式转换数据宽度与数据格式转换 应具有“并串并串”或“串并串并”转换的功能接口的功能接口的功能2023/4/112023/4/113 3第3页，此课件共23页哦2 I/O 寻址方式寻址方式存储器对应的寻址方式存储器对应的寻址方式将将I/OI/O当成存储器寻址，每个当成存储器寻址，每个I/OI/O占有存储器的一个地址占有存储器的一个地址。与存储器一起占有与存储器一起占有1MB1MB的存储空间的存储空间特点：指令丰富，特点：指令丰富，I/OI/O数量不受限制，不便于阅读数量不受限制，不便于阅读专用专用I/OI/O寻址方式寻址方式将存储器和将存储器和I/O分别寻址分别寻址用专用的用

4、专用的 IN 和和OUT 指令指令用用8条地址线或条地址线或16条地址线寻址条地址线寻址特点：特点：I/O不占存储器地址，译码电路较简单。易于阅读不占存储器地址，译码电路较简单。易于阅读2023/4/112023/4/114 4第4页，此课件共23页哦 3 CPU与与I/O数据传送方式数据传送方式一，一，一，一，CPUCPUCPUCPU与与与与I/OI/OI/OI/O间的接口信号间的接口信号间的接口信号间的接口信号一个控制过程一个控制过程工业现场的模拟量传感器 放大 A/D CPU D/A 执行机构接口信号接口信号CPU I/O 状态数据控制 数据数据数字量模拟量开关量状态信息状态信息 表征目

5、前I/O所处状态控制信息控制信息 CPU发出控制I/O工作的信息2023/4/112023/4/115 5第5页，此课件共23页哦CPU I/O 装置 数据 端口 状态 端口 控制 端口 端口地址数据M/IOWRRD数据数据状态控制 数据，状态和控制是不同性质的信息，必须分别传送数据，状态和控制是不同性质的信息，必须分别传送但但CPU只有只有 IN 和和 OUT 指令指令所以外设的状态信息也必须作为数据输入所以外设的状态信息也必须作为数据输入CPU发出的控制信息也必须作为数据输出发出的控制信息也必须作为数据输出外设与主机的连接端口也包含：数据端口，状态端口和控制端口外设与主机的连接端口也包含：

6、数据端口，状态端口和控制端口每个端口一个地址，每个端口一个地址，CPU是对端口寻址，而不是笼统对外设寻址是对端口寻址，而不是笼统对外设寻址接口是有若干个端口组成接口是有若干个端口组成2023/4/112023/4/116 6第6页，此课件共23页哦二，二，二，二，I/OI/OI/OI/O控制方式控制方式控制方式控制方式无条件传送方式（同步方式）无条件传送方式（同步方式）用于用于CPUCPU与低速的外设间传送数据与低速的外设间传送数据。数据的保持时间相对数据的保持时间相对CPUCPU的速度要慢得多。的速度要慢得多。输输入入端端口口直直接接用用三三态态缓缓冲冲器器，外外界界数数据据送送到到其其输输

7、入入端端，CPUCPU执执行行 “ININ”指令指令对对于于输输出出设设备备要要求求锁锁存存，输输出出的的数数据据应应在在输输出出接接口口的的输输出出端端保保持持一一段段时时间间，锁锁存存的的时时间间与与外外设设的的动动作作速速度度相相适适应应。CPUCPU执执行行 “OUTOUT”指令指令特点特点接口电路简单，程序设计简单。接口电路简单，程序设计简单。输入时，应保证输入的数据已准备好。输入时，应保证输入的数据已准备好。输输出出时时，应应保保证证外外设设已已将将上上次次送送出出的的数数据据取取走走，可可接接收收新新的的数据。数据。2023/4/112023/4/117 7第7页，此课件共23页

8、哦 锁存器输出数据CPU数据线WR地址M/IO无条件式传送输出接口OUT 08H,AL无条件式传送输入接口IN AL,08H 三态 缓冲器 CS输入数据CPU数据线RD地址M/IO CS2023/4/112023/4/118 8第8页，此课件共23页哦例，不断读入按钮的状态，若按钮按下，例，不断读入按钮的状态，若按钮按下，例，不断读入按钮的状态，若按钮按下，例，不断读入按钮的状态，若按钮按下，LEDLED亮，未按下则灭亮，未按下则灭亮，未按下则灭亮，未按下则灭.注：三态门作为输入接口，锁存器作为输出接口注：三态门作为输入接口，锁存器作为输出接口注：三态门作为输入接口，锁存器作为输出接口注：三态

9、门作为输入接口，锁存器作为输出接口Q7=1Q7=1，亮；，亮；，亮；，亮；Q7=0Q7=0，灭，灭，灭，灭STA：MOV DX，0040H IN AL，DX AND AL，80H JNZ OPE MOV DX，0030H MOV AL，80H OUT DX，AL JMP STAOPE：MOV AL，00H MOV DX，0030H OUT DX，AL JMP STAQ7 锁存器CS D0-D7IOW 0030HIOR 0040HD7输出接口输入接口+5V2023/4/112023/4/119 9第9页，此课件共23页哦查询传送方式查询传送方式CPUCPU与外设的速度在多数情况下是不匹配的与外设

10、的速度在多数情况下是不匹配的。CPUCPU必须在必须在外设准备好的外设准备好的情况下才能与其传送数据。情况下才能与其传送数据。接口电路中一般都有一个反映外设准备就绪的标志。接口电路中一般都有一个反映外设准备就绪的标志。只只有有当当其其表表征征外外设设具具备备工工作作条条件件时时，CPUCPU才才能能控控制制数数据据的的输输入入/输出操作。输出操作。即用状态端口提供外设的工作状态。即用状态端口提供外设的工作状态。查询方式的过程查询方式的过程输入输入I/O接口的状态端口的内容（接口的状态端口的内容（0或或1）。）。确认是否准备就绪。确认是否准备就绪。是，传送数据；否，等待。是，传送数据；否，等待。

11、2023/4/112023/4/111010第10页，此课件共23页哦查询式输入查询式输入CPU用查询方式从外设中输入数据时，必须先由状态端口查询外设的数据是否已经准备好，确认准备好后，再由数据端口输入数据。查询式输入方式接口电路有两个端口，数据信息和状态信息分别由数据端口和状态端口输入到数据总线。若数据为8位，则占有一个8位端口；状态信息只有1位，一个8位的状态端口可供8个外设用。假设状态信号连到CPU的D7上，查询式输入方式的查询程序段如下（1为准备好）：LOO1：IN AL，状态端口地址，状态端口地址 TEST AL，80H JZ LOOP1 IN AL，数据端口地址，数据端口地址D7

12、D0D7 数据端口状态端口2023/4/112023/4/111111第11页，此课件共23页哦读入状态端口信息数据准备好？读入数据端口信息NY查询式输入查询式输入查询式输入查询式输入 输入设备 锁存器 R D Q+5V选通信号 缓冲器&RDM/IO地址译码器地址总线&RDM/IO地址译码器地址总线&RDM/IO地址译码器地址总线CPU数据总线状态信号（READY）至D72023/4/112023/4/111212第12页，此课件共23页哦查询式输出查询式输出CPU用查询方式向外设输出数据时，必须先由状态端口查询外设是否空闲，若外设数据寄存器的数据已输出，表示有空，可接收CPU的数据，否则CP

13、U等待。查询式输出方式接口电路有两个端口：数据输出端口和状态输入端口。假设状态信号连到CPU的D0上，查询式输出方式的查询程序段如下（1为准备好）：LOO1：IN AL，状态端口地址，状态端口地址 TEST AL，01H JZ LOOP1 MOV AL，BL OUT 数据端口地址，数据端口地址，AL2023/4/112023/4/111313第13页，此课件共23页哦读入状态端口信息输出设备忙？数据端口输出数据YN查询式输出查询式输出查询式输出查询式输出 输出设备 锁存器Q D R&RDM/IO地址译码器地址总线&WRM/IO地址译码器地址总线CPU数据总线状态信号（BUSY）至数据线D0AC

14、K+5V2023/4/112023/4/111414第14页，此课件共23页哦 CPU PA0 PA7 PC0 PB0 AD0-D7 START EOC8255A/D例，例，例，例，8 8位位位位A/DA/D转换器，转换器，转换器，转换器，STARTSTART端为端为端为端为0 0时启动时启动时启动时启动A/DA/D，转换结束，转换结束，转换结束，转换结束EOCEOC为为为为1 1。采用查询方式，采用查询方式，采用查询方式，采用查询方式，82558255为接口电路，为接口电路，为接口电路，为接口电路，A A口，口，口，口，B B口为输入，口为输入，口为输入，口为输入，C C口输出。口输出。口输

15、出。口输出。READREAD：MOV ALMOV AL，92H92H OUT 43H OUT 43H，AL AL MOV AL MOV AL，01H01H OUT 42H OUT 42H，AL AL MOV AL MOV AL，00H00H OUT 42H OUT 42H，ALALPINPIN：IN ALIN AL，41H41H RCR AL RCR AL，01H 01H JC PIN JC PIN MOV AL MOV AL，01H 01H OUT 42 OUT 42，ALAL IN AL IN AL，40H40H2023/4/112023/4/111515第15页，此课件共23页哦查询方式

16、的特点查询方式的特点接口电路简单，程序简单。接口电路简单，程序简单。适用于适用于CPU与外设的工作速度与外设的工作速度 不相匹配的情况。不相匹配的情况。CPU主动，外设被动被查询。主动，外设被动被查询。当外设数量较多时，降低当外设数量较多时，降低CPU 的效率。的效率。对外部的突发事件无法对外部的突发事件无法 及时响应。及时响应。外设1就绪？为外设1服务NY外设2就绪？为外设2服务NY外设3就绪？为外设3服务NY外设N就绪？为外设N服务NY2023/4/112023/4/111616第16页，此课件共23页哦中断传送方式中断传送方式在中断控制方式中，外设也具有某种主动权。在中断控制方式中，外设

17、也具有某种主动权。即即在在具具备备工工作作条条件件时时，主主动动请请求求CPUCPU为为该该其其服服务务，CPUCPU响响应应其其请请求求后后，即即中中断断正正在在执执行行的的主主程程序序，转转为为执执行行为为该该外外设设服服务务的的中中断断服务程序。服务程序。服务完毕，返回断点，继续执行主程序服务完毕，返回断点，继续执行主程序中断的特点中断的特点CPU能及时响应外设的随机服务请求。能及时响应外设的随机服务请求。CPU能与多个外设同时工作。能与多个外设同时工作。能及时处理异常情况。能及时处理异常情况。实质上是程序执行方式实质上是程序执行方式为正确返回断点，须保护现场和恢复现场为正确返回断点，须

18、保护现场和恢复现场不适合于大数据量和高速的外设。不适合于大数据量和高速的外设。2023/4/112023/4/111717第17页，此课件共23页哦中断的路径中断的路径若主程序在执行第若主程序在执行第N条指令时被外部或内部请求所中断条指令时被外部或内部请求所中断则第则第N+1条指令的地址就是条指令的地址就是断点断点为为使使CPU执执行行完完中中断断服服务务程程序序后后正正确确返返回回断断点点，进进入入中中断断服服务程序前需务程序前需“保护现场保护现场”，返回主程序前需，返回主程序前需“恢复现场恢复现场”。第N 条指令返回第N+1条指令 （断点）主程序主程序中断服务程序2023/4/112023

19、/4/111818第18页，此课件共23页哦直接存储器存取（直接存储器存取（DMADMA）传送方式）传送方式用用DMAC专用硬件取代专用硬件取代CPU，直接在外设与存储器间传送数据。，直接在外设与存储器间传送数据。数数据据传传送送的的速速度度仅仅取取决决于于存存储储器器的的存存取取速速度度（因因存存储储器器的的工工作作速速度比外设的工作速度高得多），极大提高传送速度。度比外设的工作速度高得多），极大提高传送速度。正常情况下，正常情况下，CPU管理着三总线。管理着三总线。当当外外部部有有DMA请请求求时时，CPU让让出出对对三三总总线线的的控控制制权权，转转由由DMAC管理。管理。DMAC控制高

20、速外设与存储器间的大量数据传送。控制高速外设与存储器间的大量数据传送。数数据据传传送送结结束束，DMAC将将对对三三总总线线的的控控制制权权交交还还CPU，结结束束DMA过程。过程。DMA的特点的特点适合管理高速外设与存储器间大量数据的传送。适合管理高速外设与存储器间大量数据的传送。硬件电路复杂，价格高。硬件电路复杂，价格高。2023/4/112023/4/111919第19页，此课件共23页哦1 1，外外设设向向DMACDMAC提提出出DMADMA请请求求。DMACDMAC向向CPUCPU发发出出总总线线保保持持信信号号HOLDHOLD，请请求求CPUCPU让出对总线的控制权。让出对总线的控

21、制权。2，CPU向向DMAC发发出出总总线线响响应应信信号号HLDA，让让出出对对总总线线的的控控制制权权，三三总总线线对对CPU为为三三态态。DMAC占占有有总总线线的的控控制制权权，并并向向外外设设发发出出DMA响应信号，进入响应信号，进入DMA过程。过程。3，CPU提提供供存存储储器器和和I/O的的初初始始地地址址，在在DMA过过程程中中，DMAC发发出出地地址址信信号号，产产生生存存储储器器和和I/O端端口口地地址址，在在数数据据传传送送过过程程中中，DMAC控控制制总线发读总线发读/写信号，并自动修改地址指针写信号，并自动修改地址指针4，DMAC中中具具有有字字节节计计数数器器，记记

22、录录传传送送数数据据的的长长度度，并并在在数数据据传传送送过过程中进行字节计数，以确定数据传送是否完毕。程中进行字节计数，以确定数据传送是否完毕。5，DMA过过程程结结束束，DMAC放放弃弃总总线线控控制制权权，HOLD变变为为无无效效，向向CPU发发DMA结结束束信信号号。CPU检检测测到到HOLD无无效效后后，将将HLDA变变为为无无效，恢复对总线的控制权。效，恢复对总线的控制权。DMA DMA 过程过程2023/4/112023/4/112020第20页，此课件共23页哦DMA DMA 流程流程DMA请求DMA响应送存储器地址传送数据传送结束？修改地址指针DMA结束NY2023/4/11

23、2023/4/112121第21页，此课件共23页哦DMAC DMAC 结构结构 CPU 地址寄存器 计数器 控制/状态寄存器 存储器 I/O 接口 I/O 设备 数据总线数据总线HOLDHLDADMA请求请求DMA响应响应DMAC2023/4/112023/4/112222第22页，此课件共23页哦 作业作业P159 7 P159 7 1 1，CPUCPU与与I/OI/O间的接口信号有哪些？间的接口信号有哪些？2 2，CPUCPU对对I/OI/O控制方式有哪几种？其特点如何？控制方式有哪几种？其特点如何？3，试绘出查询输入和查询输出方式的流程图。，试绘出查询输入和查询输出方式的流程图。4，假假设设某某接接口口数数据据输输入入端端口口的的地地址址为为50H，状状态态端端口口地地址址的的为为51H，状态端口的，状态端口的D1位为位为1时表示输入数据准备好时表示输入数据准备好,如下图所示：如下图所示：现现要要求求采采用用查查询询方方式式编编程程，输输入入100个个字字节节并并存存入入缓缓冲冲区区BUFF中，试编写程序。中，试编写程序。7 6 5 4 3 2 1 0输入数据准备好状态端口状态端口2023/4/112023/4/112323第23页，此课件共23页哦