微機原理課件 8輸入輸出技術(shù)

1、12 I/O接口概述接口概述 I/O端口與其尋址方式端口與其尋址方式 CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式3 掌握微型計算機接口技術(shù)的基本概念掌握微型計算機接口技術(shù)的基本概念 了解主機與外設(shè)之間的各種數(shù)據(jù)傳送方式了解主機與外設(shè)之間的各種數(shù)據(jù)傳送方式 了解了解I/O端口的尋址方式端口的尋址方式 4NoImage 8.1 I/O接口概述接口概述微型計算機系統(tǒng)可通過系統(tǒng)總線與外設(shè)微型計算機系統(tǒng)可通過系統(tǒng)總線與外設(shè)相連，進行相連，進行系統(tǒng)的擴展與開發(fā)系統(tǒng)的擴展與開發(fā)，而外設(shè)必須，而外設(shè)必須通過通過接口接口才能與才能與CPU交換信息。交換信息。 CPU或 系統(tǒng)總線I/O 接口 電路外

2、設(shè)外設(shè)不同：工作原理、驅(qū)動方式、信息格式、工作速度輸入輸入：鍵盤，鼠：鍵盤，鼠標，掃描儀，聲標，掃描儀，聲音、各種傳感器音、各種傳感器輸入的模擬量：輸入的模擬量：溫度，壓力，流溫度，壓力，流量等。量等。輸出輸出：打印機，：打印機，繪圖儀，聲音，繪圖儀，聲音，各種開關(guān)控制量。各種開關(guān)控制量。5NoImage一、一、I/O接口的功能接口的功能 作為接口電路，通常必須為外部設(shè)備提供幾作為接口電路，通常必須為外部設(shè)備提供幾個個有對應(yīng)編址的寄存器有對應(yīng)編址的寄存器，每個寄存器稱為一個，每個寄存器稱為一個I/O端口端口。通常的。通常的I/O接口示意圖如下圖所示接口示意圖如下圖所示： I/O接口示意圖 6N

3、oImageI/O接口內(nèi)部一般由接口內(nèi)部一般由數(shù)據(jù)、狀態(tài)、控制數(shù)據(jù)、狀態(tài)、控制三類寄存器組成。其三類寄存器組成。其作用作用如下如下:數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器在輸入時，保存外設(shè)發(fā)往在輸入時，保存外設(shè)發(fā)往CPU的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù) (輸入寄存器輸入寄存器)在輸出時，保存在輸出時，保存CPU發(fā)往外設(shè)發(fā)往外設(shè)的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù) (輸出寄存器輸出寄存器)狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器保存狀態(tài)信息，保存狀態(tài)信息，CPU可從狀態(tài)可從狀態(tài)口讀取口讀取外設(shè)當(dāng)前狀態(tài)；外設(shè)當(dāng)前狀態(tài)； 控制寄存器控制寄存器用來保存用來保存CPU發(fā)的控制命令。發(fā)的控制命令。7NoImage任何接口電路均包括如下任何接口電路均包括如下基本功能：基本功能： 作為微型

4、機與外設(shè)間傳遞作為微型機與外設(shè)間傳遞數(shù)據(jù)的中間緩沖站數(shù)據(jù)的中間緩沖站；輸入口:三態(tài)門,緩沖/隔離; 輸出口:鎖存器,數(shù)據(jù)鎖存2.正確尋址正確尋址與微機交換數(shù)據(jù)的與微機交換數(shù)據(jù)的外設(shè)外設(shè) ； 外設(shè)多設(shè)備,各設(shè)備多種端口,各端口地址需譯碼產(chǎn)生3.提供提供微型機與外設(shè)間交換數(shù)據(jù)所需的微型機與外設(shè)間交換數(shù)據(jù)所需的控制邏輯控制邏輯 與狀態(tài)信號與狀態(tài)信號。8NoImage二、二、 CPU 與與I/O之間的接口信號之間的接口信號(1) 數(shù)字量數(shù)字量 由鍵盤、光電輸入機等輸入的信息。(通常以二進制表示的數(shù)或以 ASCII 碼表示的數(shù)或字符),其數(shù)位有8、16和32位。 CPU與外設(shè)交換的基本信息是數(shù)據(jù)，有三種

5、類型：9NoImage(2) 模擬量模擬量 （如壓力、聲音、流量、溫度等）（如壓力、聲音、流量、溫度等）非電量信息傳感器電量信號處理A/DCPU 10NoImage(3) 開關(guān)量開關(guān)量（如電機的啟與停，開關(guān)的合與開等）兩個狀態(tài)的量 (可以用0、1表示)11NoImage輸入時，輸入設(shè)備是否準備好？ (READY)輸出時，輸出設(shè)備是否空閑？(BUSY)反映當(dāng)前外設(shè)工作狀態(tài)的信息，例如：12例如控制I/O 設(shè)備啟動或停止等。 CPUI/O設(shè)備I/O接口123ABDBCBDATASTATUSCONTROLCPU 與外設(shè)之間的接口信息 CPU通過接口輸出對以外設(shè)的控制命令信號。通過接口輸出對以外設(shè)的控

6、制命令信號。注：注：狀態(tài)和控制信息狀態(tài)和控制信息也必須作為也必須作為數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)來傳送到相應(yīng)端口，常占來傳送到相應(yīng)端口，常占1或或2位，可共用端口位，可共用端口13NoImage外部設(shè)備與微處理器進行信息交換必外部設(shè)備與微處理器進行信息交換必須通過訪問該外設(shè)相對應(yīng)的端口來實現(xiàn)。須通過訪問該外設(shè)相對應(yīng)的端口來實現(xiàn)。具體訪問這些具體訪問這些外設(shè)端口外設(shè)端口的過程叫做的過程叫做尋址尋址。 通常有通常有兩種兩種尋址方式尋址方式：存儲器映像存儲器映像的的I/OI/O尋址方式尋址方式和和I/OI/O端口端口單獨單獨尋址方式尋址方式。 8.2 I/O 端口及其尋址方式端口及其尋址方式 14NoImage一、存儲

7、器映像的一、存儲器映像的I/O尋址方式尋址方式 端口地址與存儲器地址統(tǒng)一編址端口地址與存儲器地址統(tǒng)一編址存儲器映像的I/O端口尋址連接方式 A15WRRDCPURD WR例如： Motorola公司的MC6800/68000系列CPU15NoImage優(yōu)點：優(yōu)點：1.端口尋址手段豐富，且不需要專門的I/O指令。2.I/O寄存器數(shù)目與外設(shè)數(shù)目不受限制，而只受總存儲容量的限制。3.讀寫控制邏輯比較簡單。16NoImage缺點：缺點：I/O端口要占用存儲器的一部分地址空間，使可用的內(nèi)存空間減少。17NoImage二、二、I/O端口單獨尋址方式端口單獨尋址方式 I/OI/O端口和存儲器分開尋址端口和存

8、儲器分開尋址 ,有專用有專用I/O指令指令I(lǐng)/O端口單獨尋址方式示意圖 18NoImageCPUCPU訪問訪問I/OI/O端口必須采用專用端口必須采用專用I/OI/O指令，故也叫指令，故也叫 專用專用I/OI/O指令方式指令方式（Special I/O Instruction Special I/O Instruction Mode Mode）。這些專用的）。這些專用的I/OI/O指令通常指令通常有兩類有兩類，即，即輸輸 入指令入指令I(lǐng)NIN、輸出指令、輸出指令OUTOUT及其相關(guān)指令組。對于及其相關(guān)指令組。對于 不同的微處理器，具有各不相同的指令格式。不同的微處理器，具有各不相同的指令格式。

9、 8086/80888086/8088等就采用了等就采用了I/OI/O端口單獨尋址方式。端口單獨尋址方式。 這些指令包含這些指令包含直接尋址直接尋址和和寄存器間接尋址寄存器間接尋址兩種兩種 類型類型。19NoImage對于對于80868086，采用直接尋址，則其指令格式為：，采用直接尋址，則其指令格式為： 輸入指令：輸入指令： IN ALIN AL，PORTPORT 輸出指令：輸出指令： OUT PORT, AL OUT PORT, AL 直接尋址方式的直接尋址方式的端口地址為端口地址為一個字節(jié)長一個字節(jié)長，可尋，可尋址址256256個端口個端口20NoImage采用間接尋址，則其指令格式為：

10、采用間接尋址，則其指令格式為：輸入指令：輸入指令：IN ALIN AL，DX DX 輸出指令：輸出指令：OUT DXOUT DX，ALAL 其端口其端口地址地址為為兩個字節(jié)兩個字節(jié)長長，由，由DXDX寄存器間接給寄存器間接給出，可尋址出，可尋址64K64K個（個（8 8位寬）字節(jié)端口位寬）字節(jié)端口地址，或地址，或32K32K個（個（1616位寬位寬）字端口。字端口。21NoImage優(yōu)點：優(yōu)點：1. I/O口的地址空間獨立，且不占用存儲器地址空間。 2.地址線較少，且尋址速度相對較快 。3.專門I/O指令的使用，使編制的程序清晰，便于理解和檢查。22NoImage1. I/O指令較少，導(dǎo)致程序

11、設(shè)計的靈活性較差； 2.需要存儲器和I/O端口兩套控制邏輯，增加了控制邏輯的復(fù)雜性。 缺點：缺點：23NoImage 8.3 CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式微機與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送，實際上是微機與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送，實際上是CPU與與I/O接口間的數(shù)據(jù)傳送。接口間的數(shù)據(jù)傳送。CPU與外設(shè)間的數(shù)與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送據(jù)傳送通常包括通常包括無條件傳送無條件傳送、查詢傳送、查詢傳送、 中斷傳送、中斷傳送、以及以及DMA方式方式。 24NoImage一、無條件傳送方式一、無條件傳送方式 無條件傳送一般適合于數(shù)據(jù)傳送不太頻繁的情況，如對開關(guān)、數(shù)碼顯示器等一些簡單外設(shè)的操作。所謂無條件，就

12、是假設(shè)外設(shè)已處于就緒狀態(tài)，數(shù)據(jù)傳送時，程序就不必再去查詢外設(shè)的狀態(tài)，而直接執(zhí)行I/O指令進行數(shù)據(jù)傳輸。 25NoImage輸入操作：輸入操作：IN AL，PORT M/IO=0，RD=0，地址譯碼有效，輸入，地址譯碼有效，輸入 緩沖器被選中。緩沖器被選中。輸出操作：輸出操作：OUT PORT， AL M/IO=0，WR=0，地址譯碼有效，輸出鎖，地址譯碼有效，輸出鎖存器被選中。存器被選中。26NoImage無條件傳送接口示意圖這種傳送方式的輸入輸出接口電路這種傳送方式的輸入輸出接口電路最簡單最簡單. .只需要設(shè)置只需要設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器和外設(shè)和外設(shè)端口地址譯碼器端口地址譯碼器即可

13、。即可。 輸入輸出27NoImage應(yīng)用條件應(yīng)用條件：輸入時輸入時外設(shè)必須已準備好數(shù)據(jù)，外設(shè)必須已準備好數(shù)據(jù)，輸出時輸出時接口鎖存接口鎖存器必須為空（器必須為空（即數(shù)據(jù)已送到鎖存器出口，且外設(shè)已接收即數(shù)據(jù)已送到鎖存器出口，且外設(shè)已接收），），即接口和即接口和I/OI/O設(shè)備必須保持設(shè)備必須保持“就緒就緒”狀態(tài)。如下例：狀態(tài)。如下例： 無條件傳送的接口電路舉例 輸出：控制發(fā)光輸出：控制發(fā)光 （端口地址可均為：（端口地址可均為：8000H)8000H) 輸入：讀開關(guān)狀態(tài)輸入：讀開關(guān)狀態(tài)28NoImage二、查詢傳送方式二、查詢傳送方式 程序控制下的查詢傳送程序控制下的查詢傳送方式，又稱方式，又稱異

14、步傳送異步傳送方式。方式。它在執(zhí)行輸入輸出操作之前，它在執(zhí)行輸入輸出操作之前，需通過測試程序?qū)ν獠吭O(shè)備需通過測試程序?qū)ν獠吭O(shè)備的狀態(tài)進行檢查。當(dāng)所選定的狀態(tài)進行檢查。當(dāng)所選定的外設(shè)已準備的外設(shè)已準備“就緒就緒”后，才后，才開始進行輸入 輸出操作。開始進行輸入 輸出操作。 查詢傳送方式流程圖 29NoImage查詢傳送方式查詢傳送方式工作流程包括工作流程包括兩個兩個基本工作環(huán)節(jié)基本工作環(huán)節(jié) （1）查詢環(huán)節(jié) 通過讀取通過讀取狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器的的標志位標志位來檢查外設(shè)是來檢查外設(shè)是否否“就緒就緒”。多端口可設(shè)多標志位，加入超時判斷可防死循環(huán)。（2）傳送環(huán)節(jié) 當(dāng)上一環(huán)節(jié)完成后，將對數(shù)據(jù)口實現(xiàn)尋址，

15、并通過輸入指令從數(shù)據(jù)端口輸入數(shù)據(jù)，或利用輸出指令從數(shù)據(jù)端口輸出數(shù)據(jù)。 30優(yōu)點：優(yōu)點： 易實現(xiàn)數(shù)據(jù)準確傳送，控制編程容易，適應(yīng)面寬易實現(xiàn)數(shù)據(jù)準確傳送，控制編程容易，適應(yīng)面寬缺點：缺點： 浪費浪費CPUCPU時間，傳送效率低時間，傳送效率低應(yīng)用場合：應(yīng)用場合： 外設(shè)對象不多，外設(shè)對象不多，CPUCPU負擔(dān)不重，實時性要求不高。負擔(dān)不重，實時性要求不高。CPUCPU主動，主動，I/OI/O被動，即被動，即I/OI/O操作由操作由CPUCPU啟動。啟動。特點：特點：31NoImage查詢輸入接口電路32NoImage當(dāng)當(dāng)輸入設(shè)備輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)已經(jīng)準備好后，一方的數(shù)據(jù)已經(jīng)準備好后，一方面面將數(shù)據(jù)送入將

16、數(shù)據(jù)送入8 8位鎖存器位鎖存器，另一方面對，另一方面對D D觸發(fā)觸發(fā)器觸發(fā)，器觸發(fā)，使狀態(tài)信息標志位使狀態(tài)信息標志位D D0 0為為1 1。當(dāng)當(dāng)CPUCPU要求外設(shè)輸入信息時，要求外設(shè)輸入信息時，先檢查先檢查狀態(tài)狀態(tài)信息。若數(shù)據(jù)已經(jīng)準備好，則信息。若數(shù)據(jù)已經(jīng)準備好，則輸入輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)，相應(yīng)數(shù)據(jù)，并使并使狀態(tài)信息清狀態(tài)信息清“0 0”。否則，等待數(shù)據(jù)準備。否則，等待數(shù)據(jù)準備“就緒就緒”。 工作過程工作過程33NoImage查詢式輸入時的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息 查詢式輸入程序流程圖 NEXTIN：INA，STATUS-PORT；從狀態(tài)口輸入狀態(tài)信息 TEST AL，01H ；測試標志位是否為1 JZNEX

17、TIN ；未就緒，繼續(xù)查詢 INAL，DATA-PORT ；從數(shù)據(jù)端口輸入數(shù)據(jù) 34NoImage查詢輸出接口電路RDRD35NoImage工作過程工作過程：當(dāng)輸出設(shè)備將數(shù)據(jù)接收并輸出后，會發(fā)出一個ACK信號，使D觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)為0，表明輸出設(shè)備“空閑”。CPU查詢到這個狀態(tài)信息后，執(zhí)行輸出指令，將新的輸出數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)總線上，同時把數(shù)據(jù)口地址發(fā)送到地址總線上。由地址譯碼器產(chǎn)生的譯碼信號和相“與”后，發(fā)出選通信號，將輸出數(shù)據(jù)送至輸出數(shù)據(jù)送至8 8位鎖存器；同時，將位鎖存器；同時，將D D觸發(fā)器置觸發(fā)器置為為1，并通知外設(shè)進行數(shù)據(jù)輸出操作,此時外設(shè)為“忙”，CPU不能繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。 36NoImag

18、e查詢式輸出的端口信息 查詢式輸出程序流程圖 NEXTOUT： IN AL, STATUS_PORT ；從狀態(tài)口輸入狀態(tài)信息 TEST AL, 80H ；測試標志位D7 JNZ NEXTOUT ；未就緒，繼續(xù)查詢 MOV AL, BUF ；從緩沖區(qū)BUF取數(shù)據(jù) OUT DATA_PORT, AL ；從數(shù)據(jù)端口輸出 37NoImage三、三、 中斷傳送方式中斷傳送方式為了進一步提高CPU的效率和使系統(tǒng)有實時性能，可以采用中斷傳送方式。在中斷傳送方式下，當(dāng)外設(shè)準備好時，主動主動向CPU發(fā)出中斷請求，請求CPU進行數(shù)據(jù)的輸入輸出。特點特點：傳送數(shù)據(jù)時，：傳送數(shù)據(jù)時，外設(shè)主動申請外設(shè)主動申請， CPU

19、“CPU“被動被動”響應(yīng)響應(yīng), ,可節(jié)省大量可節(jié)省大量CPUCPU的時間，實現(xiàn)的時間，實現(xiàn)外設(shè)和外設(shè)和CPUCPU并行工作。并行工作。38NoImage中斷傳送方式的輸入接口電路 39NoImage中斷方式的數(shù)據(jù)輸入 采用中斷傳送方式時采用中斷傳送方式時,外設(shè)處于主動地外設(shè)處于主動地位位,無需無需CPU花費大量時間去查詢外設(shè)的工花費大量時間去查詢外設(shè)的工作狀態(tài)。與程序方式相比，大大提高了作狀態(tài)。與程序方式相比，大大提高了CPU的效率。的效率。外設(shè)請求中斷 INTR有效主程序中斷服務(wù)程序輸入 數(shù)據(jù)外設(shè)準備數(shù)據(jù)40NoImage四、四、DMA方式方式DMA (Direct Memory Access): 是存儲是存儲器與外設(shè)或存儲器之間進行大量數(shù)據(jù)傳器與外設(shè)或存儲器之間進行大量數(shù)據(jù)傳送的方法，是在送的方法，是在DMA控制器控制器(DMAC)的控制下進行的。的控制下進行的。 41NoImageCPU總 線存儲器外設(shè)程序控制的數(shù)據(jù)輸入/輸出DMADMA與程序控制數(shù)據(jù)傳送路徑比較42NoImageDMA傳送原理圖43NoImageDMA工作流程 44NoImage（2） CPU 響應(yīng)后，接管對總線的控制，進入響應(yīng)后，接管對總線的控制，進入 DMA方式。方式。 （1 1） 能向能向CPU 發(fā)出發(fā)出 BUSRQ 請求信號。請求信號。 （3） 能發(fā)出地址信息，并