n09第5章數(shù)字量輸入輸出1

第5章

數(shù)字量輸入輸出(I/O)

微型計算機的結(jié)構(gòu)框圖微處理器CPU存儲器ROM存儲器RAMI/O接口外部設(shè)備地址總線數(shù)據(jù)總線控制總線指令系統(tǒng)匯編語言中斷系統(tǒng)⒈數(shù)字量由多位二進制數(shù)(0/1)組合在一起表示數(shù)據(jù)。例如由鍵盤、磁盤等讀入的信息，或者主機輸出給打印機、磁盤機、顯示器等的信息，都是二進制形式的數(shù)據(jù)或是以ASCII碼表示的字符，通常是8位、16位、32位或64位。第1節(jié)I/O信息的形式⒉模擬量指數(shù)值和時間上連續(xù)變化的信號?，F(xiàn)實世界中多數(shù)信號是連續(xù)變化的物理量，如溫度、壓力、流量等。這些連續(xù)變化的模擬量無法直接輸入到計算機中進行處理，需要經(jīng)過模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字量，才能輸入計算機。反過來，計算機輸出的數(shù)字量要經(jīng)過數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換，變成模擬量，才能進行控制。⒊開關(guān)量只有一位二進制數(shù)表示量（1/0）。開關(guān)量可表示兩個狀態(tài)，如開關(guān)的閉合和斷開，電機的運轉(zhuǎn)和停止，閥門的打開和關(guān)閉等。第2節(jié)I/O接口一、接口概念把介于兩個部件間的緩沖電路稱為接口。從廣義上看，接口包括硬件連接電路，以及由軟件組成的管理邏輯驅(qū)動程序。計算機中，把介于CPU與外設(shè)之間，實現(xiàn)硬件連接與軟件通訊的部件稱為I/O接口。例如，鍵盤與主機間接口是8255A，這是一個可編程的通用接口芯片。I/O接口多為定型產(chǎn)品，多數(shù)為可編程通用接口芯片，可用軟件編程控制其工作方式。二、I/O接口的功能——為什么要使用接口1、實現(xiàn)CPU與外設(shè)之間信息的轉(zhuǎn)換。包括信號形式的變換電平的轉(zhuǎn)換和放大并行數(shù)據(jù)和串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。2、I/O定向每次IO傳送都用地址指明具體的設(shè)備。IO接口電路接收地址并譯碼，選中具體的IO設(shè)備。3、鎖存和緩沖解決CPU與外設(shè)間的速度不匹配解決同一臺計算機連接多個外設(shè)的問題；外設(shè)與總線的連接原則：輸入要三態(tài)：一個CPU連接多個外設(shè)；輸出要鎖存：外設(shè)速度慢問題。輸入要三態(tài)：系統(tǒng)總線是設(shè)備間的公共通道，任何設(shè)備不能長期占用總線，僅允許被選中的設(shè)備使用系統(tǒng)總線。設(shè)備需要通過三態(tài)門連接到總線上，CPU訪問此外設(shè)時，打開三態(tài)門，其他時間與總線呈高阻狀態(tài)。實現(xiàn)一個CPU連接多個外設(shè)。系統(tǒng)總線是獨木橋，IO設(shè)備分時復用。輸出要鎖存：輸出數(shù)據(jù)在寫周期傳送，時間非常短。被傳送數(shù)據(jù)只在短暫時間內(nèi)呈現(xiàn)在總線上，并傳送給外設(shè)。對于慢速的外設(shè)，這么短的時間不能驅(qū)動外部設(shè)備。因此在外設(shè)和總線之間添加數(shù)據(jù)鎖存器。將數(shù)據(jù)鎖存到接口電路中，解決CPU與外設(shè)間的速度不匹配。IO的內(nèi)容分類

（一）數(shù)據(jù)信息IO內(nèi)容是以數(shù)字信號形式表示的數(shù)值或字符。是計算機和IO設(shè)備之間交換的真正的內(nèi)容。（二）狀態(tài)信息狀態(tài)信息反映了當前外設(shè)的工作狀態(tài)，是外設(shè)通過接口輸入給CPU的。輸入設(shè)備用“準備好”（READY）信號來表明待輸入數(shù)據(jù)是否準備就緒；輸出設(shè)備用“忙”（BUSY）信號來表示輸出設(shè)備是否處于空閑狀態(tài)，如為空閑狀態(tài)，則可接收CPU送來的信息，否則CPU要等待。（三）控制信息控制信息是CPU通過接口輸出給外設(shè)的，CPU通過發(fā)送控制信息控制外設(shè)的工作。如外設(shè)的啟動信號和停止信號就是常見的控制信息。控制信息往往隨外設(shè)的具體工作原理不同而含義不同。三、I/O接口的基本結(jié)構(gòu)CPU外設(shè)數(shù)據(jù)端口譯碼、控制邏輯狀態(tài)端口命令端口中斷管理數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線控制線狀態(tài)線M/IORDWRINTRI/O接口信息通道端口是I/O接口的基本組成單元，每個I/O端口有一個端口地址。

CPU對I/O端口的操作是按端口地址進行的。I/O端口是由一組寄存器組成的。CPU與外設(shè)進行數(shù)據(jù)傳輸時，各類信息會進入不同類型的寄存器,一般稱這些寄存器為I/O端口。數(shù)據(jù)端口：是CPU和IO設(shè)備之間數(shù)據(jù)交換的中轉(zhuǎn)站。輸出時，數(shù)據(jù)先鎖存在端口，IO設(shè)備在從數(shù)據(jù)端口獲得。輸入時，IO設(shè)備先準備好數(shù)據(jù)，CPU再打開端口的三態(tài)門，接口IO設(shè)備的數(shù)據(jù)。狀態(tài)端口：CPU通過狀態(tài)端口了解IO設(shè)備的工作狀態(tài)，以決定是否可以輸入或輸出數(shù)據(jù)。多是開關(guān)信號。是只讀端口，具有三態(tài)緩沖器?？刂贫丝冢和ㄟ^寫控制端口發(fā)出控制命令。寫到控制端口的一個字節(jié)的每一位可以表示一個開關(guān)控制信號。是只寫端口，具有鎖存功能。CPU與三類端口交換信號時，通過數(shù)據(jù)總線來完成的。從編程角度來說，是完全一樣的。用IN和OUT指令完成。只是三類端口對應的地址是不同的。實現(xiàn)的功能不同。⒈存儲器映射方式在這種方式中，把端口作為存儲器的存儲單元來對待，每個端口占有存儲空間的一個地址。端口地址和存儲器地址按照統(tǒng)一的方式編址。也叫做統(tǒng)一編址方式第3節(jié)I/O端口的編址其優(yōu)點是：①CPU對外設(shè)（端口）操作可使用全部的存儲器操作指令，故可用指令多，使用方便；②內(nèi)存和外設(shè)（端口）的地址分布空間是同一個；③不需要專門的輸入輸出指令。缺點是：①外設(shè)占用了內(nèi)存單元，使內(nèi)存容量減少；②訪問內(nèi)存指令長度一般比專用I/O指令長，從而指令周期較長，執(zhí)行速度較慢。⒉I/O獨立編址方式是指有一個與存儲器地址空間完全獨立的I/O地址空間，在這個空間內(nèi)每個端口有一個唯一端口地址。使用專門的IO指令訪問端口。其優(yōu)點是：①I/O端口不占內(nèi)存空間；②由于I/O指令都是使用累加器（AX/AL）操作，指令字節(jié)數(shù)少，因此指令周期較短。缺點是：①要求CPU有專用I/O指令，用于CPU與I/O端口間數(shù)據(jù)傳輸；②用于I/O操作的指令少，因此不夠方便靈活。第4節(jié)計算機與外設(shè)數(shù)據(jù)傳送的方式有如下傳送方式：直接傳送方式、查詢方式、中斷方式、DMA方式。下面對這些方式逐一進行討論。⒈直接傳送方式CPU和IO端口之間需要傳送數(shù)據(jù)時，直接執(zhí)行IO指令。這時CPU和IO設(shè)備是完全同步的。例如，LED類型外設(shè)，輸出0，熄滅；輸出1，點亮。這種外設(shè)總是準備就緒，不必查詢外設(shè)的狀態(tài)，在需要輸入/輸出的地方直接使用IN、OUT指令。也叫無條件傳送或同步傳送。無條件傳送方式接口電路例如，MAINPROCnear┇

INAL，30H┇

OUT2FH，AL┇MAINENDP這種傳輸方式下的程序設(shè)計較簡單,不過要保證每次傳送時,外設(shè)處于就緒狀態(tài)，只用在對一些簡單外設(shè)的操作，如開關(guān)、七段LED顯示器等。⒉條件傳送方式條件傳送也稱為查詢式傳送。用條件傳送方式時，CPU通過執(zhí)行程序不斷讀取并測試外設(shè)的狀態(tài)。如果外設(shè)處于準備好狀態(tài)（輸入設(shè)備）或者空閑狀態(tài)（輸出設(shè)備）時，則CPU執(zhí)行輸入指令或輸出指令與外設(shè)交換信息。對于條件傳送來說，一個數(shù)據(jù)傳送過程由3個環(huán)節(jié)組成：①CPU從狀態(tài)端口中讀取狀態(tài)字。②CPU檢測狀態(tài)字的對應位是否滿足“就緒”條件，如果不滿足，則返①繼續(xù)讀取狀態(tài)字。③如狀態(tài)字表明外設(shè)已處于“就緒”狀態(tài)，則傳送數(shù)據(jù)。執(zhí)行IO傳送指令查詢式輸出接口電路查詢式輸入的接口電路RD例：查詢式輸入程序?qū)嵗簭亩丝诘刂窞?0H的外設(shè)輸入一個字節(jié)數(shù)據(jù)。因外設(shè)速度較慢，故采用查詢方式，狀態(tài)口為61H，狀態(tài)位為D1＝1表示READY，程序如下；XML：INAL，61H；讀入狀態(tài)字

TESTAL，02H；測試狀態(tài)位是否為1，不為1轉(zhuǎn)

JZ XML；XMLINAL，60H

；已準備好，輸入一個字節(jié)數(shù)據(jù)例：查詢式輸出程序?qū)嵗?；STATUS_PORT表示狀態(tài)端口地址，READY_BIT表示狀態(tài)端口中的準備好位，DATA_PORT表示數(shù)據(jù)端口地址，DATA表示輸出數(shù)據(jù)在存儲器中存放的位置。 MOVDX,STATUS_PORTWAIT：INAL，DX

；讀入狀態(tài)字

TESTAL，READY_BIT；測試’準備好’位

JZ WAIT；

MOVDX,DATA_PORT MOVAL,DATA

OUTDX,AL

例題：若打印機的接口包括控制端口83H，數(shù)據(jù)端口地址80H和狀態(tài)端口地址81H，編程實現(xiàn)：采用查詢方式，狀態(tài)位為D0＝1表示BUSY，將內(nèi)存中1000H開始的100個字節(jié)（字符），輸出到打印機。其中端口控制字為88H，應首先將控制字輸出到控制端口中。 MOVAL,88H OUT83H,AL MOVSI,1000H MOVCX,100XML： INAL，81H

；讀入狀態(tài)字

TESTAL，01H ；測試狀態(tài)位是否為1，為1轉(zhuǎn)

JNZ XML ；XML MOVAL,[SI] INCSI

OUT80H,AL

；已準備好，輸出一個字節(jié)數(shù)據(jù)

LOOPXML3、中斷傳送方式－概念在查詢傳送方式中，CPU要不斷地詢問外設(shè)，當外設(shè)沒有準備好時，CPU要等待（執(zhí)行查詢程序），不能干別的操作，這樣就浪費了CPU的時間。而且許多外設(shè)的速度是較低的，如鍵盤、打印機等第，它們輸入或輸出一個數(shù)據(jù)的速度是很慢的，在這個等待過程中，CPU可以執(zhí)行大量的指令。為了提高CPU的效率，可以采用中斷的傳送方式：當外設(shè)準備好時，由外設(shè)通過硬件方式主動向CPU發(fā)出中斷申請（有關(guān)中斷的詳細工作情況，在下一節(jié)討論），CPU就暫停原執(zhí)行的程序（即實現(xiàn)中斷響應），轉(zhuǎn)去執(zhí)行輸入或輸出操作（中斷服務），待輸入輸出操作完成后返回原來的程序。這樣可以大大提高CPU的效率，利用中斷方式，CPU與外設(shè)（甚至多個外設(shè)）可以實現(xiàn)并行（同時）工作。中斷式接口電路修改為書上的圖4、直接存儲器訪問方式傳送（DMA）－概念利用中斷進行數(shù)據(jù)傳送，可以大大提高CPU的利用率。例如某一外設(shè)1S能傳送100個字節(jié)。若用查詢方式輸入，則在這1S內(nèi)CPU全部用于查詢狀態(tài)和傳送數(shù)據(jù)；若用中斷方式，CPU每傳送一個字節(jié)的中斷服務程序需100S，則傳送100字節(jié)，CPU只需用10ms，即只占1秒的1/100，99/100的時間可用于執(zhí)行主程序。但是中斷傳送仍是由CPU通過程序來完成傳送任務，每次要保護和恢復斷點和現(xiàn)場。

所以希望用硬件在外設(shè)與內(nèi)存之間直接進行數(shù)據(jù)交換（DMA）而不通過CPU，這樣數(shù)據(jù)傳送的速度上限就取決于存儲器和外設(shè)的工作速度。在DMA方式時，就需要CPU出讓總線（即CPU連到這些總線上的引線處于第三態(tài)—高組狀態(tài)），而由DMA控制器（硬件）接管，控制傳送的字節(jié)數(shù)，判斷DMA是否結(jié)束，以及發(fā)出DMA結(jié)束等信號。這些都是由硬件實現(xiàn)的。DMA控制器的功能能向CPU發(fā)出HOLD信號當CPU發(fā)出HLDA信號后，接管總線控制權(quán)，進入DMA方式輸出地址信息，能對存儲器尋址及能修改地址指針能輸出讀寫等控制信號能決定傳送字節(jié)數(shù)及判斷DMA傳送是否結(jié)束發(fā)出DMA結(jié)束信號，使CPU恢復正常工作狀態(tài)。2.DMA操作的基本方式

周期挪用周期擴展

CPU停機方式3.DMA傳送方式單字節(jié)方式字節(jié)組方式一、總線的基本概念數(shù)字計算機是由若干個部件組成的，這些部件間的信息交換是通過一組公共的標準線路進行的，這組用來進行信息傳送的公用線路，稱為總線?？偩€上傳送的是二進制信息。每一位二進制數(shù)由總線上的一根線傳送。同一時刻一根總線上只能傳送一個數(shù)據(jù)。第5節(jié)

系統(tǒng)總線1、總線分類總線有很多分類方法，不同的分類，總線有不同的名稱。I.

按總線在計算機系統(tǒng)中的位置，總線可分為下列三種：①片內(nèi)總線：微處理器芯片內(nèi)部各部件間的連接線路，稱為片內(nèi)總線。②系統(tǒng)總線：一臺計算機的各部件，如CPU、內(nèi)存儲器、通道及各類I/O接口間連接的公共線路，稱為系統(tǒng)總線。③設(shè)備總線：各種外部I/O設(shè)備和計算機之間的連接總線。例如，EIARS232串行總線。II.

接傳輸信息的內(nèi)容，系統(tǒng)總線可分為地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。任何計算機的系統(tǒng)總線都由上述三部分總線構(gòu)成。①數(shù)據(jù)總線：用來傳遞數(shù)據(jù)信息，每根線都是雙向、三態(tài)，數(shù)據(jù)總線的根數(shù)（位數(shù)）與計算機的字長相同。②地址總線：用來傳遞地址信息。屬單向傳輸，其位數(shù)與存儲容量有關(guān)。③控制總線：用來傳輸CPU的控制信息或外設(shè)的狀態(tài)信息。二、總線的連接方式是指總線的組織結(jié)構(gòu)。在單機系統(tǒng)中，總線的結(jié)構(gòu)有三種基本類型：單總線結(jié)構(gòu)、雙總線結(jié)構(gòu)及三總線結(jié)構(gòu)。①單總線結(jié)構(gòu)：使用一組單一的系統(tǒng)總線來連接CPU、內(nèi)存和I/O設(shè)備，稱為單總線結(jié)構(gòu)。CPU內(nèi)存I/O接口系統(tǒng)總線②雙總線結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)總線和內(nèi)存總線CPU內(nèi)存I/O接口系統(tǒng)總線內(nèi)存總線③三總線結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)總線、內(nèi)存總線和I/O總線CPU內(nèi)存I/O通道系統(tǒng)總線內(nèi)存總線I/O接口I/O接口IO總線三、總線標準系統(tǒng)總線是構(gòu)成計算機系統(tǒng)的基礎(chǔ)，將影響整個系統(tǒng)的性能、可靠性、靈活性和成本。微機中的總線標準有以下幾種。1、ISA總線ISA總線即工業(yè)標準總線，早期采用8086CPU的IBMPC/AT機使用的此類總線，該總線兼容8位PC總線，它是在8位PC總線基礎(chǔ)上擴展成為16位總線體系結(jié)構(gòu)的。2、MCA總線MCA總線是微通道總線，與ISA總線有完全不同的總線標準。MCA總線是一種具有32位數(shù)據(jù)寬度的高性能的總線標準，提供成組傳送方式，這種工作方式也叫猝發(fā)式或迸發(fā)式。3、EISA總線EISA總線是在ISA總線基礎(chǔ)上，擴展成為32位高速的總線體系結(jié)構(gòu)，因而與ISA兼容。EISA總線是與MCA總線相抗衡的總線。4、PCI總線PCI總線是時鐘同步型輸入/輸出總線，用于連接微處理器和輸入/輸出設(shè)備。PCI是有史以來最成功的總線標準之一。作為一種常規(guī)用途的總線，幾乎在每一臺電腦上都能發(fā)現(xiàn)其綜跡。標準PCI總線的數(shù)據(jù)寬度是32位，傳送速度最高為133MB/S；PCI總線的數(shù)據(jù)線擴充到64位，則數(shù)據(jù)傳送速度最高為266MB/S。存儲器讀周期存儲器寫周期I/O讀周期I/O寫周期IBMPC/XT的I/O端口地址分配80X86用A15－A0尋址I/O地址空間，因此，可以尋址的最大空間，是64K。IBMPC/XT使用A9－A0尋址I/O地址空間