組成原理第6章輸入

第6章輸入/輸出接口本章學(xué)習(xí)要點(diǎn)●I/O接口概述●數(shù)據(jù)傳送方式●程序控制下的數(shù)據(jù)傳送●直接存儲器存取(DMA)傳送●I/O處理機(jī)（IOP）方式6.1I/O接口概述

通常將輸入/輸出(IN/OUT)設(shè)備稱I/O設(shè)備。常見的I/O設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)、繪圖儀、調(diào)制解調(diào)器等。I/O接口,也稱為I/O接口電路，是位于系統(tǒng)與外設(shè)之間用來協(xié)助完成數(shù)據(jù)傳送及傳送控制的電路。在PC機(jī)中，包括主板上的可編程接口芯片，以及插在I/O插槽中用來連接I/O設(shè)備的插卡，或稱適配器，這些都屬于接口電路。接口解決微處理器與外設(shè)之間的差異外設(shè)種類多信號類型有機(jī)械的、物理的、電信號等信號形式有脈沖、模擬量或數(shù)字量數(shù)據(jù)傳輸率不同數(shù)據(jù)格式不同數(shù)據(jù)傳輸方式不同，有并行、串行之分CPU與外設(shè)都是面向接口而非直接聯(lián)絡(luò)接口的功能接口電路中的信息數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息及控制信息

主機(jī)外設(shè)接口電路DBABCB數(shù)據(jù)信息控制信息狀態(tài)信息數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)信息：要交換的數(shù)據(jù)本身。數(shù)字量：通常以8位或16位的二進(jìn)制數(shù)以及ASCII碼的形式傳輸，主要指由鍵盤、磁帶機(jī)、磁盤等輸入的信息或主機(jī)送給打印機(jī)、顯示器、繪圖儀等的信息開關(guān)量：用“0”和“1”來表示兩種狀態(tài)，如開關(guān)的通/斷模擬量：模擬的電壓、電流或者非電量。對模擬量輸入而言，需先經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量；如果需要輸出模擬控制量的話，就要進(jìn)行上述過程的逆轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)傳輸方向：CPU←→I/O接口←→外設(shè)控制信息控制信息：控制外設(shè)工作的命令，CPU通過接口發(fā)出，如A/D轉(zhuǎn)換器的啟/停信號數(shù)據(jù)傳輸方向：CPU→I/O接口→處設(shè)I/O端口傳送這三種信息的接口電路中的寄存器稱為數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制端口不同的寄存器有不同的端口地址，即用地址訪問端口由一個或多個寄存器組成接口由若干個端口加上相應(yīng)的控制邏輯組成

6.1.1I/O接口的主要功能1.數(shù)據(jù)緩沖功能2.信號變換功能3.設(shè)備的選擇功能4.提供信息交換的握手信號5.可編程功能6.1.2I／0接口電路的基本模型1．內(nèi)部結(jié)構(gòu)接口電路的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)緩沖器狀態(tài)寄存器控制寄存器接外設(shè)一側(cè)

主機(jī)外設(shè)總線驅(qū)動地址譯碼控制邏輯接CPU一側(cè)DBABCB數(shù)據(jù)信息控制信息狀態(tài)信息端口接口實(shí)現(xiàn)對CPU數(shù)據(jù)總線速度和驅(qū)動能力的匹配實(shí)現(xiàn)各寄存器端口尋址操作實(shí)現(xiàn)接口電路中的各寄存器端口的讀/寫操作和時序控制1．內(nèi)部結(jié)構(gòu)1)數(shù)據(jù)寄存器在輸入時，它保存從外設(shè)發(fā)往CPU的數(shù)據(jù)稱數(shù)據(jù)輸入寄存器。在輸出時，它保存從CPU發(fā)往外設(shè)的數(shù)據(jù)稱數(shù)據(jù)輸出寄存器。1．內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2)狀態(tài)寄存器保存外設(shè)狀態(tài)的數(shù)據(jù)，CPU可從中讀取當(dāng)前接口電路的狀態(tài)，其狀態(tài)實(shí)際上間接反映了外設(shè)的狀態(tài)。如（BUSY）忙信號、READY（就緒、準(zhǔn)備好）信號來表示外設(shè)所處的狀態(tài)。1．內(nèi)部結(jié)構(gòu)3)控制寄存器保存CPU對外設(shè)的控制數(shù)據(jù)，CPU向其中寫入命令來實(shí)現(xiàn)對接口電路工作方式的選擇，并控制外設(shè)進(jìn)行有關(guān)操作。2.外部特性1)面向CPU一側(cè)的信號用于連接CPU，其中包括數(shù)據(jù)線、地址線和控制線。它們與CPU的連接同存儲器與CPU的連接相類似，需要注意處理好地址譯碼和讀寫控制；2.外部特性2)面向外設(shè)一側(cè)的信號用于連接外設(shè)。由于外設(shè)種類繁多，其工作方式和所用信號可能各不相同，所以與外設(shè)的連接需要針對具體的外設(shè)來進(jìn)行討論。接口電路的分類數(shù)據(jù)傳送方式：并行接口串行接口功能選擇的靈活性：可編程接口不可編程接口數(shù)據(jù)傳送操作的同步方式：同步接口異步接口通用性：通用接口專用接口6.1.3I/O端口的編址為了區(qū)分接口電路的各個寄存器，系統(tǒng)為它們各自分配了一個地址，稱為I/O端口地址，以便對它們進(jìn)行尋址并與存儲器地址相區(qū)別I/O端口有兩種編址方式：存儲器映像方式、I/O獨(dú)立編址方式

1、存儲器映像編址指I/O端口與存儲器共享一個尋址空間，又稱為統(tǒng)一編址。在這種系統(tǒng)中，CPU可以用同樣的指令對I/O端口和存儲器單元的進(jìn)行訪問。優(yōu)點(diǎn)：對I/O口的訪問靈活方便，有利于提高端口數(shù)據(jù)的處理能力。缺點(diǎn)：I/O端口占用了主存地址，相對減少了主存的可用范圍。2、I/O獨(dú)立編址（一）指主存地址空間和I/O端口地址空間相互獨(dú)立，分別編址。CPU通過指令來區(qū)分是訪問I/O口還是存儲單元優(yōu)點(diǎn)：主存和I/O端口的地址可用范圍都比較大；缺點(diǎn)：I/O指令的功能一般比較弱，在I/O操作中必須借助CPU的寄存器進(jìn)行中轉(zhuǎn)2、I/O獨(dú)立編址（二）80X86系列微處理器采用獨(dú)立的I/O編址方式CPU使用地址總線中的A0～A15來尋址I/O口，故最大I/O空間是64K個字節(jié)端口（或32K個字端口）兩種編址方式比較（一）I/O空間內(nèi)存空間I/O空間內(nèi)存空間分別是分離編址？還統(tǒng)一編址？I/O端口的編址兩種編址方式比較（二）存儲器CPUABDBCB接口外設(shè)接口外設(shè)CPUABDBCB存儲器存儲器讀寫I/O讀寫6.1.4I／O地址的譯碼方法微機(jī)系統(tǒng)的每個端口都有惟一的端口地址端口地址：經(jīng)譯碼電路譯碼后產(chǎn)生端口選通信號，控制端口的讀/寫操作

I／O地址空間編址原則1.如果將地址看作資源，那么I／O地址空間足夠大，可以容忍一定程度的浪費(fèi)；

2.I/O訪問的頻度遠(yuǎn)低于存儲器訪問，而且不同的外設(shè)其操作互相獨(dú)立，所以編址時不太強(qiáng)調(diào)地址的連續(xù)。選擇I/O端口地址時遵循的原則1.凡是被系統(tǒng)配置所占用了的地址一律不能使用；2.原則上講，未被占用的地址，用戶可以使用，但對計算機(jī)廠家申明保留的地址，不要使用，否則會發(fā)生I/Ｏ端口地址重疊和沖突；3.用戶一般可使用300H～31FH地址，這是IBM－PC微機(jī)留作實(shí)驗(yàn)用的，用戶可以使用。為了避免與其他用戶開發(fā)的插件板發(fā)生地址沖突，最好采用地址開關(guān)。I/O端口的地址譯碼將來自地址總線上的地址代碼翻譯成為所需要訪問端口的選通信號I/O端口地址譯碼電路結(jié)構(gòu)譯碼電路的輸入信號地址信號：由地址范圍決定控制信號：數(shù)據(jù)流向（讀/寫）、數(shù)據(jù)寬度（8位/16位）、是否采用奇/偶地址和DMA傳送方式譯碼電路的輸出信號：接口芯片的片選信號

端口的讀寫控制：輸入需要緩沖，輸出需要鎖存輸入緩沖電路當(dāng)讀有效時，才將緩沖器中的三態(tài)門打開，使外設(shè)的數(shù)據(jù)進(jìn)入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線其它時間，三態(tài)門處于高阻狀態(tài)，不影響總線上的其它操作微處理器系統(tǒng)外部輸入設(shè)備A0B0A1B1A2B2A3B3A4B4A5B5A6B6A7B7EDIR234567891817161514131211119譯碼片選IORDIR=1，A→BDIR=0，B→A74LS245輸出鎖存選中鎖存器時，總線上的數(shù)據(jù)才能進(jìn)入鎖存器此后不管總線上的數(shù)據(jù)（鎖存器輸入端）如何變化，只要沒有再次使鎖存器的信號有效，鎖存器的輸出端就一直保持原來鎖存的信息不變。微處理器系統(tǒng)外部輸出設(shè)備D0Q0D1Q1D2Q2D3Q3D4Q4D5Q5D6Q6D7Q7CLKCLR34781314171825691215161974LS27311譯碼片選IOW74LS32+5V1I/O地址譯碼方法地址譯碼的方法靈活多樣高位地址線與CPU的控制信號進(jìn)行組合，經(jīng)譯碼電路產(chǎn)生I/O接口芯片的片選信號CS，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的接口芯片尋址

低位地址線直接接到I/O接口芯片的地址引腳，進(jìn)行I/O接口芯片的片內(nèi)端口尋址

讀077AH端口地址譯碼電路端口地址的二進(jìn)制形式A15

A14…A1

A00000011101111010端口讀：IOR，AEN譯碼輸出：/R77AH執(zhí)行MOVDX，77AH IN AL，DX

74LS32&A10A9A874LS30A6A5A4AENA1A3A14A13&A15A12A7A2&A11A0≥174LS2074LS04≥1≥11R77AH≥IOR讀/寫操作77AH端口地址的譯碼電路IOWW77AH&A10A9A874LS30A6A5A4AENA1A3A14A13&A15A12A7A2&A11A0≥174LS2074LS04IOR74LS32≥1≥1≥1R77AH≥1譯碼器譯碼A15～A8為譯碼器使能A7～A5決定芯片端口范圍A4～A0選擇芯片片內(nèi)端口2AGGDMACSAA5BA6CA71AEN0YINTRCS1YT/CCS2YPPICS3Y4Y5Y6Y7Y2BGA10A9&A11A8A14A13&A15A1274LS2074LS13874LS06用比較器組成的可選式譯碼電路A9~A6=開關(guān)狀態(tài)時，比較器才輸出高電平，譯碼器才能工作通過設(shè)置不同的開關(guān)狀態(tài)，就可以選擇不同的地址范圍2AGGBC11Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y2BGA12A3≥1A0Y74LS13874LS08&AENA4A5A15A14A13A11A10≥1≥1≥174LS32CCA6A7A8A9VA0A1A2IA=B74LS85A3B0B1B2B3IA>BIA<BOA>BOA<BOA=BDIPS0S1S2S3VCC可編程邏輯器件作譯碼電路可編程邏輯器件包括GAL、CPLD和FPGA通常一片GAL器件的電路規(guī)?？蛇_(dá)幾百門，而FPGA可達(dá)幾百萬門這些器件可以被多次修改和反復(fù)使用只需要修改軟件，就可以改變譯碼電路

6.1.5PC系列機(jī)主板上的I/O譯碼80X86系列微處理器提供16條地址線訪問I/O端口,編址可達(dá)64K個字節(jié)端口或者32K個字端口。IBM系列采用非完全譯碼方式，即只考慮了低10位地址線A0-A9，I/O端口地址范圍是0000H-03FFH，總共只有1024個字節(jié)端口80386微處理器或此后的微處理器構(gòu)成的微機(jī)系統(tǒng)，采用全譯碼的方法，端口為64K個字節(jié)端口或32K個字端口

PC/XT主板上的I/O譯碼電路PC／AT主板上的I/O譯碼電路接口芯片內(nèi)部譯碼A0～A4A5A6A7A8A974LS138譯碼器HLDAMASTERABCE1E2E3Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7DMA控制器1中斷控制器1定時計數(shù)器并行接口電路DMA頁面寄存器中斷控制器2DMA控制器2協(xié)處理器6.1.6

數(shù)據(jù)傳送方式1.程序控制下的數(shù)據(jù)傳送。通過CPU執(zhí)行程序，利用程序中的I/O指令來完成數(shù)據(jù)傳送。進(jìn)—步分為：

1)無條件傳送

2)查詢傳送

3)中斷傳送2.直接存儲器存取(DMA)3.采用I/O處理器。6.2無條件傳送所謂就緒(Ready)，只是一種籠統(tǒng)的說法，其含義會隨使用場合的不同而改變。１.在輸入場合，“就緒”說明輸入接口已準(zhǔn)備好送往CPU的數(shù)據(jù)，正等待CPU讀取。該狀態(tài)也可以用接口中數(shù)據(jù)緩沖器已“滿”來進(jìn)行描述。２.在輸出場合，“就緒”說明輸出接口已做好準(zhǔn)備，等待接收CPU要輸出的數(shù)據(jù)?；蛘哒f，前次CPU傳送給它的數(shù)據(jù)已得到處理，現(xiàn)在接口正在等待新的數(shù)據(jù)。該狀態(tài)也可用接口數(shù)據(jù)緩沖器已“空”，或者用外設(shè)“閑”來進(jìn)行描述。無條件輸入和無條件輸出

無條件數(shù)據(jù)傳送的接口電路無條件數(shù)據(jù)傳送的程序NEXT: MOVDX,6000H ;DX指向數(shù)據(jù)端口

INAL,DX ;從輸入端口讀開關(guān)狀態(tài)

NOTAL ;反相

OUTDX,AL ;送輸出端口顯示

CALLDELAY ;調(diào)子程序延時

JMPNEXT ;重復(fù)6.3查詢傳送所謂的查詢方式就是微機(jī)利用程序不斷地詢問外部設(shè)備的狀態(tài)，根據(jù)外設(shè)所處的狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入和輸出。查詢傳送也稱為異步傳送和有條件傳送方式。查詢數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒?/p>

1.查詢環(huán)節(jié)START:MOVDX，6001HINAL，DXTESTAL,9HJZSTART

2.傳送環(huán)節(jié)輸入：INAL，6000H輸出：OUTAL，6000H6.3.1查詢輸入接口

該接口工作程序MOVDX,6000H;DX指向狀態(tài)端口STATUS:INAL,DX ;讀狀態(tài)端口

TESTAL,01H;測試標(biāo)志位D0 JZSTATUS;D0＝0，未就緒，繼續(xù)查詢

INCDX;D0＝1，就緒，DX指向數(shù)據(jù)端口

INAL,DX ;從數(shù)據(jù)端口輸入數(shù)據(jù)6.3.2查詢輸出接口接口程序MOVDX,6000H ;DX指向狀態(tài)端口STATUS:INAL,DX ;讀取狀態(tài)端口的狀態(tài)數(shù)據(jù)

TESTAL,80H ;測試標(biāo)志位D7

JNZSTATUS;D7＝1，未就緒，繼續(xù)查詢

INCDX;D7＝0，就緒，DX指向數(shù)據(jù)端口

MOVAL,BUF ;變量BUF送AL OUTDX,AL ;將數(shù)據(jù)輸出給數(shù)據(jù)端口6.4中斷傳送中斷控制方式中斷請求觸發(fā)器QRD數(shù)據(jù)緩沖端口譯碼端口譯碼控制端口中斷屏蔽觸發(fā)器QD+5VWR外設(shè)READYDBABDBINTRINTA中斷可被響應(yīng)的條件：中斷請求觸發(fā)器置位；中斷屏蔽觸發(fā)器清零；CPU內(nèi)部開放中斷；CPU未處理更高級中斷；CPU現(xiàn)行指令執(zhí)行完中斷工作過程外設(shè)需要CPU服務(wù)時外設(shè)→I/O接口→向CPU發(fā)中斷請求，INTR=H(中斷請求有效)CPU執(zhí)行完當(dāng)前指令后,(注:若IF=1)CPU→I/O接口→外設(shè)發(fā)中斷響應(yīng)，/INTA=LCPU執(zhí)行中斷服務(wù)程序,CPU←→I/O接口←→外設(shè)讀寫數(shù)據(jù)6.5直接存儲器存取(DMA)傳送DMA是一種不經(jīng)過CPU和程序，直接用硬件實(shí)現(xiàn)的存儲器訪問，達(dá)到高速傳送數(shù)據(jù)的目的。。DMA控制方式(存儲器直接存取)內(nèi)存與外設(shè)間有大量數(shù)據(jù)交換時，采用中斷方式，每傳送一次數(shù)據(jù)，就必須經(jīng)歷中斷處理的全部步驟，而且一般需要借助CPU內(nèi)部的寄存器作為中介DMA方式：不用