第5章 輸入輸出技術(shù)

本章內(nèi)容接口電路的功能和I/O端口的編址簡單接口電路及應(yīng)用微機與I/O設(shè)備間的信息交換方式、各自優(yōu)缺點和使用場合DMA方式的原理和DMA控制器的功能、初始化(了解)

第5章輸入輸出技術(shù)5.1I/O接口一、I/O接口概述計算機系統(tǒng)把處理器和主存儲器以外部分稱為輸入/輸出系統(tǒng)，包括輸入輸出設(shè)備、輸入輸出接口和輸入輸出軟件。I/O接口是將外設(shè)連接到系統(tǒng)總線上的一組邏輯電路的總稱。接口的作用：對于主機，接口提供外部設(shè)備工作狀態(tài)及數(shù)據(jù)；對于外部設(shè)備，接口電路傳達(dá)主機給外設(shè)的控制命令和數(shù)據(jù)，從而使主機與外設(shè)之間能協(xié)調(diào)一致地工作。主機與外設(shè)間交換信息存在以下問題：速度匹配；信號驅(qū)動能力；

信號形式和電平匹配；信息格式(字節(jié)流、塊、數(shù)據(jù)包、幀)

；時序匹配。CPU數(shù)據(jù)狀態(tài)控制外設(shè)I/O接口（4）根據(jù)尋址信息選擇外設(shè)。5.1I/O接口I/O接口的基本功能一、I/O接口概述（1）命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)的緩沖、隔離和鎖存；

“輸入要三態(tài)，輸出要鎖存”原則。（2）信息形式和格式轉(zhuǎn)換；（3）信息的輸入輸出；

控制、監(jiān)測和管理I/O接口與外設(shè)。5.1I/O接口二、I/O端口的編址方式為了完成上述功能，CPU與I/O接口進(jìn)行通信是通過I/O接口內(nèi)部的一組寄存器來實現(xiàn)的，這些寄存器統(tǒng)稱為I/O端口。I/O端口寄存器：數(shù)據(jù)端口寄存器；狀態(tài)端口寄存器；控制端口寄存器。CPU數(shù)據(jù)狀態(tài)控制外設(shè)不同外設(shè)具有的端口數(shù)各不相同，計算機為每一個端口都賦予一個惟一編號，稱為端口地址(或端口號)。編址方式：統(tǒng)一編址、獨立編址二、I/O端口的編址方式5.1I/O接口（1）I/O端口與內(nèi)存統(tǒng)一編址

端口與存儲器單元在同一個地址空間中進(jìn)行編址；優(yōu)點指令統(tǒng)一，靈活；訪問控制信號統(tǒng)一，使用同一組的地址/控制信號。

缺點內(nèi)存可用地址空間減小0地址空間(共1MB)內(nèi)存地址(960KB)I/O地址(64KB)FFFFFHEFFFFHF0000H（2）I/O端口與內(nèi)存獨立編址

內(nèi)存儲器和I/O端口各自有自己獨立的地址空間；5.1I/O接口優(yōu)點：內(nèi)存地址空間不受I/O編址的影響。缺點：I/O指令功能較弱，使用不同的讀寫控制信號。00000H內(nèi)存地址空間內(nèi)存空間(1MB)I/O空間(64KB)FFFFHFFFFFHI/O地址空間0000H5.1I/O接口三、8088/8086的I/O端口編址（1）采用I/O獨立編址方式(地址線與存儲器共用)（2）地址線上的地址信號用IO/M(IO/M)來區(qū)分（3）I/O操作只使用20根地址線中的16根：A15～A0（4）可尋址的I/O端口數(shù)為64K(65536)個（5）I/O地址范圍為0～FFFFH（6）IBMPC只使用了1024個I/O地址(0～3FFH)8088總線A19-A0A15-A0MEMR、MEMWIOR、IOW、AEN存儲器輸入/輸出5.1I/O接口（1）直接尋址在輸入輸出指令中直接寫上8位I/O端口地址號。例：INAL,50H；50H端口的字節(jié)讀入AL例：OUT80H,AX；AX中的內(nèi)容輸出到80H、81H兩個端口四、8088/8086的I/O端口尋址方式5.1I/O接口四、8088/8086的I/O端口尋址方式（2）寄存器間接尋址

16/8位I/O端口地址號存入DX，在輸入輸出指令中寫DX，表示從其指示的I/O端口中輸入輸出數(shù)據(jù)。例：MOVDX,0050H

INAX,DX；從DX和DX+1所指的2個端口輸入1個字例：MOVDX,FF02HOUTDX,AL；AL中的字節(jié)輸出到DX所指端口中注意：16位I/O端口地址必須使用DX寄存器間接尋址5.1I/O接口五、8088/8086輸入輸出指令指令格式： INAL/AX/EAX，imm8/DXOUTimm8/DX，AL/AX/EAX例：輸入字?jǐn)?shù)據(jù)movdx,20h

；間接尋址，字?jǐn)?shù)據(jù)輸入inax,dxinax,20h；直接尋址，字?jǐn)?shù)據(jù)輸入inal,21h

；直接尋址，字節(jié)數(shù)據(jù)輸入movah,alinal,20h三段功能相同；字?jǐn)?shù)據(jù)傳送實際上實現(xiàn)了連續(xù)的兩個端口地址的字節(jié)數(shù)據(jù)傳送。輸入指令執(zhí)行過程5.2簡單接口電路有上述可知，CPU與外設(shè)交換信息有三類：數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息。狀態(tài)信息：反映外設(shè)工作狀態(tài)的信息；控制信息：指CPU向接口內(nèi)部控制寄存器發(fā)出的各種控制命令，以設(shè)置接口的工作方式及功能。數(shù)據(jù)信息：從外設(shè)讀入或輸出至外設(shè)的數(shù)據(jù)信息；一、接口電路的基本結(jié)構(gòu)是一塊中、大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路芯片，常稱I/O接口電路芯片(接口芯片)。主要由以下幾部分組成：狀態(tài)寄存器；譯碼電路；控制邏輯。

數(shù)據(jù)輸入寄存器和數(shù)據(jù)輸出寄存器；控制寄存器；5.2簡單接口電路一、接口電路的基本結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)線5.2簡單接口電路數(shù)據(jù)輸入/輸出寄存器：又稱數(shù)據(jù)輸入端口、數(shù)據(jù)輸出端口，合成數(shù)據(jù)端口。暫存輸入/輸出的數(shù)據(jù)。輸入端口具有三態(tài)輸出能力；輸出常用鎖存器實現(xiàn)；控制寄存器：又稱命令端口或控制端口。存放CPU發(fā)出的控制命令(信息)，控制接口的工作方式及功能和控制外設(shè)按命令要求動作；狀態(tài)寄存器：又稱狀態(tài)端口，存放外設(shè)或接口的狀態(tài)信息，供CPU讀；譯碼電路：CPU執(zhí)行I/O指令時，從地址總線發(fā)送16位外部設(shè)備端口地址，其中高位地址線通過譯碼選中某接口芯片，低位地址線用來選擇該接口芯片內(nèi)不同端口；控制邏輯：產(chǎn)生接口內(nèi)部控制信號和對外控制信號，以協(xié)調(diào)處理器和外設(shè)間的輸入/輸出操作。5.2簡單接口電路（4）按數(shù)據(jù)控制方式分：程序型接口和DMA(DirectMemoryAccess)型接口。不是所有接口都具備上述全部功能。接口需要哪些功能取決于I/O設(shè)備的特點，有的還需要專用I/O接口電路。按分類方式不同主要有以下幾種：（1）按數(shù)據(jù)傳送方式分：并行接口和串行接口；（2）按功能選擇的靈活性分：可編程接口和不可編程接口；（3）按通用性分：通用接口和專用接口；例：編寫程序判斷下圖中的開關(guān)狀態(tài)。如果所有開關(guān)都閉合，則程序轉(zhuǎn)向標(biāo)號NEXT1執(zhí)行，否則轉(zhuǎn)向標(biāo)號為NEXT2執(zhí)行。

二、三態(tài)門接口5.2簡單接口電路

典型芯片74LS244，沒有鎖存功能的3態(tài)8位緩沖器（含8個三態(tài)門），3態(tài)是：高電平、低電平、高阻態(tài)。當(dāng)控制端有效時，三態(tài)門導(dǎo)通，輸出等于輸入；否則輸出高阻態(tài)。典型應(yīng)用：開關(guān)接口74LS244接口電路圖如下：83FCH～83FFH譯碼器MOVDX,83FCHINAL,DXANDAL,0FFHJZNEXT1JMPNEXT2所有開關(guān)全閉合轉(zhuǎn)NEXT1，否則轉(zhuǎn)NEXT2。三、鎖存器接口5.2簡單接口電路由D觸發(fā)器構(gòu)成，一個器件通常包含8個D觸發(fā)器，常用芯片：(P239圖5.5、圖5.7)74LS273(二態(tài)鎖存）：是一種帶清除功能的8D觸發(fā)器，D0～D7為數(shù)據(jù)輸入端，Q0～Q7為數(shù)據(jù)輸出端，CP正脈沖觸發(fā)將Di端數(shù)據(jù)鎖存到Qi端，S低電平清除Qi端。常用作8位地址鎖存器或輸出接口。74LS374(三態(tài)鎖存器)：可作輸入/輸出緩沖器接口。74LS374帶了三態(tài)門，它比74LS273多了一個輸出允許端OE。只有當(dāng)OE=0時，74LS374的輸出三態(tài)門才導(dǎo)通，OE=1時呈高阻態(tài)。5.2簡單接口電路三、鎖存器接口應(yīng)用例子：發(fā)光二極管接口譯碼器11.........+5VRD0｜D7CPQ0Q7...D0～D7A0～A15IOW#74LS273R設(shè)該輸出接口地址是0FFFFH，則下列程序段的功能？ NOVDX,0FFFFH MOVAL,01000001B OUTDX,AL鎖存器芯片74LS3745.2簡單接口電路做輸出端口:三態(tài)門一直處于導(dǎo)通狀態(tài)。做輸入端口:CP正脈沖鎖存輸入數(shù)據(jù)，譯碼選中時OE=0，CPU讀取數(shù)據(jù)。例：利用74LS244和74LS273作為輸入和輸出接口，編寫程序，根據(jù)開關(guān)狀態(tài)在LED數(shù)碼管顯示十六進(jìn)制數(shù)碼。

四、簡單接口的應(yīng)用舉例5.2簡單接口電路解：273為輸出接口，把數(shù)據(jù)送到7段LED數(shù)碼管，設(shè)273的地址為F0H；244為輸入口，讀入開關(guān)K0～K3的狀態(tài)；設(shè)244的地址為F1H；當(dāng)開關(guān)的狀態(tài)分別為0000～1111時，在7段數(shù)碼管上對應(yīng)顯示’0’～’F’；5.2簡單接口電路共陽極7段LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)(7段碼表見下頁)5.2簡單接口電路符號形狀7段碼.gfedcba符號形狀7段碼.gfedcba’0’00111111’8’01111111’1’00000110’9’01100111’2’01011011’A’01110111’3’01001111’B’01111100’4’01100110’C’00111001’5’01101101’D’01011110’6’01111101’E’01111001’7’00000111’F’011100015.2簡單接口電路O1I1O2I2O3I3O4I4#E1

K0～K3+5VGG2AG2BCBA≥174LS244D0Q0|Q1D7Q2Q3Q4CPQ5Q6Q7

abcdefgDP74068個反相器74LS273Rx8≥174LS138D0～D7IOW#IOR#Y0Y1F0H=0000000011110000BF1H=0000000011110001B&≥1A7～A4A15～A8A3A2A1A0D0D1D2D3譯碼電路5.2簡單接口電路相應(yīng)程序段如下：

……Seg7 DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H DB 7FH,67H,77H,7CH,39H,5EH,79H,71H …… LEA BX,Seg7；取7段碼表基地址

MOV AH,0GO: MOV DX,0F1H；開關(guān)接口的地址為F1H IN AL,DX ；讀入開關(guān)狀態(tài)

AND AL,0FH；保留低4位

MOV SI,AX ；作為7段碼表的表內(nèi)位移量

MOV AL,［BX+SI］；取7段碼

MOV DX,0F0H；7段數(shù)碼管接口的地址為F0H OUT DX,AL JMP GO5.3微機與I/O設(shè)備信息交換方式

微型計算機與外設(shè)之間數(shù)據(jù)輸入輸出，實際上是CPU、內(nèi)存與外設(shè)接口之間進(jìn)行信息傳送。主要有4種方式：無條件傳送方式；條件傳送（查詢工作）方式；中斷控制傳送方式；直接存儲器存取(DMA)方式。一、無條件傳送方式適用于總是處于準(zhǔn)備好狀態(tài)的外設(shè)，輸入輸出指令的執(zhí)行就是數(shù)據(jù)傳送過程；以下外設(shè)可采用無條件傳送方式：開關(guān)；發(fā)光器件(發(fā)光二極管、7段數(shù)碼管、燈泡等)；繼電器；步進(jìn)電機。優(yōu)點：軟件及接口硬件簡單；缺點：只適用于簡單外設(shè)，適應(yīng)范圍較窄。5.3微機與I/O設(shè)備信息交換方式

CPU通過程序不斷讀取并測試外設(shè)狀態(tài)，根據(jù)外設(shè)狀態(tài)進(jìn)行輸入輸出。

二、條件傳送(查詢工作)方式5.3微機與I/O設(shè)備信息交換方式

單一外設(shè)工作流程適用場合：外設(shè)并不總是準(zhǔn)備好，CPU在交換數(shù)據(jù)前須詢問外設(shè)“你準(zhǔn)備好沒有？”；對傳送速率和效率要求不高。對外設(shè)及接口的要求：

外設(shè)提供設(shè)備狀態(tài)信息；接口應(yīng)有狀態(tài)端口。優(yōu)點：軟件比較簡單。缺點：CPU效率低，數(shù)據(jù)傳送實時性差，速度較慢。多個外設(shè)時，查詢流程？5.3微機與I/O設(shè)備信息交換方式

例：用查詢方式進(jìn)行輸出二、條件傳送(查詢工作)方式外設(shè)狀態(tài)端口為3FBH，第5位為狀態(tài)標(biāo)志(=1忙，=0準(zhǔn)備好)外設(shè)數(shù)據(jù)端口為3F8H，寫入數(shù)據(jù)會使?fàn)顟B(tài)標(biāo)志置1；外設(shè)把數(shù)據(jù)讀走后又會置0。AGAIN：MOVDX,3FBH INAL，DX；讀狀態(tài)信息

TESTAL，00100000B JNZAGAIN；最高位=1時，忙

MOVDX,3F8H；最高位=0時，閑

MOVAL，STORE OUTDX，AL輸出一批數(shù)據(jù)如何修改程序三、中斷控制方式5.3微機與I/O設(shè)備信息交換方式

特點：外設(shè)在需要時向CPU提出請求，CPU再去為它服務(wù)。服務(wù)結(jié)束后或在外設(shè)不需要時，CPU可執(zhí)行自己的程序。優(yōu)點：CPU效率高，實時性好，速度快缺點：程序編制較為復(fù)雜以上三種I/O方式的共性均需CPU為中介：（外設(shè)CPU內(nèi)存）軟件：數(shù)據(jù)傳送通過CPU執(zhí)行程序來完成；硬件：I/O接口和存儲器讀寫控制、地址信號都由CPU發(fā)出；缺點：程序執(zhí)行速度限定了傳送的最大速度(約為幾十KB/s)四、直接存儲器存取(DMA)方式5.3微機與I/O設(shè)備信息交換方式

特點：外設(shè)直接與存儲器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，CPU不再是數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹薪檎?；由DMA控制器（DMAC）接管總線控制權(quán)，內(nèi)存/外設(shè)的地址和讀寫控制信號均由DMAC提供。優(yōu)點：數(shù)據(jù)傳輸由DMA硬件來控制，數(shù)據(jù)直接在內(nèi)存和外設(shè)之間交換，可以達(dá)到很高的傳輸速率(可達(dá)幾MB/s)典型芯片：可編程大規(guī)模集成電路芯片：Intel8237-5，Intel8257/8257-5，MotorolaMC6844等。DMA控制器的工作過程5.3微機與I/O設(shè)備信息交換方式

①外設(shè)向DMAC發(fā)傳送請求信號DRQ；⑤由DMAC發(fā)出各種控制信號，控制外設(shè)與存儲