第六章 輸入輸出技術(shù)

第六章輸入輸出技術(shù)6.1I/O接口概述6.2I/O端口的編址方式6.3I/O傳送方式6.1I/O接口概述I/O接口:指CPU與外圍設(shè)備或外圍設(shè)備與系統(tǒng)設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和通信的連接電路，是CPU與外界進(jìn)行信息交換的中轉(zhuǎn)站。I/O接口技術(shù):是研究CPU如何與外設(shè)進(jìn)行最佳耦合與匹配，實現(xiàn)雙方高效、可靠地交換信息的一門技術(shù)，是軟件、硬件結(jié)合的體現(xiàn)，是微機(jī)應(yīng)用的關(guān)鍵。

速度匹配光電隔離驅(qū)動外設(shè)信號特性匹配時序匹配數(shù)據(jù)緩沖與鎖存信息格式轉(zhuǎn)換設(shè)備選擇中斷控制一、I/O接口的功能二、CPU與I/O設(shè)備之間的信息類型狀態(tài)端口數(shù)據(jù)端口(輸入/輸出)控制端口地址譯碼數(shù)據(jù)緩沖控制電路外設(shè)ABDBCBCPU數(shù)據(jù)狀態(tài)控制1、數(shù)據(jù)信息通常包括數(shù)字量、模擬量和開關(guān)量3種信息數(shù)字量以二進(jìn)制形式或是以ASCII碼表示的數(shù)或字符。模擬量指在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，某些現(xiàn)場信息經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，再通過放大得到模擬電壓或電流。開關(guān)量指只含兩種狀態(tài)的量，如開關(guān)的斷開與閉合，電路的通與斷等，故只需用一位二進(jìn)制數(shù)即可描述一個開關(guān)量。2、狀態(tài)信息狀態(tài)信息作為一種CPU與I/O之間的接口信號，主要用來反映I/O設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)。

3、控制信息控制信息是CPU通過I/O接口傳送給外設(shè)的，專門用來控制I/O設(shè)備的操作，是向外設(shè)傳送的控制命令。

三、I/O接口的基本結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息作為CPU與I/O設(shè)備間的接口信號，在接口電路中，將這3種信息分別存放在不同的寄存器中，這些寄存器稱為接口電路的I/O端口。接口電路有3種端口：數(shù)據(jù)端口，狀態(tài)端口和控制端口。

數(shù)據(jù)端口：數(shù)據(jù)端口可分為數(shù)據(jù)輸入端口和數(shù)據(jù)輸出端口兩類。在輸入時，由數(shù)據(jù)輸入端口保存外設(shè)發(fā)往CPU或內(nèi)存的數(shù)據(jù)；在輸出時，由數(shù)據(jù)輸出端口保存CPU或內(nèi)存發(fā)往外設(shè)的數(shù)據(jù)。

狀態(tài)端口：狀態(tài)端口用來保存I/O設(shè)備或接口部件本身的工作狀態(tài)信息，讓微處理器了解數(shù)據(jù)傳送過程中正在發(fā)生或最近已發(fā)生的狀態(tài)。控制端口：控制端口用來存放處理器發(fā)來的控制命令與其他信息，確定接口電路的工作方式和功能，便于控制接口電路和I/O設(shè)備的動作。

CPU和外部設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，各類信息在接口中將進(jìn)入不同的寄存器，一般稱這些寄存器為I/O端口；每個端口分配一個地址號，稱之為端口地址，CPU通過指令對它們進(jìn)行訪問；I/O端口分：數(shù)據(jù)端口、狀態(tài)端口和命令端口。

8086CPU最大可用地址總線的低16位作為對8位I/O端口的尋址線，相鄰的兩個8位端口可以組成一個16位端口，所以8086CPU可訪問的8位I/O端口有64K個，16位I/O端口有32K個。

6.2I/O端口的編址方式一、I/O端口與存儲器統(tǒng)一編址優(yōu)點：不需要專門的I/O指令I(lǐng)/O數(shù)據(jù)存取與存儲器數(shù)據(jù)存取一樣靈活缺點：I/O端口要占去部分存儲器地址空間尋址速度比專用的I/O指令慢內(nèi)存部分I/O部分存儲器空間00000HFFFFFH二、I/O端口獨立編址優(yōu)點：I/O端口的地址空間獨立，不占用內(nèi)存空間指令的執(zhí)行速度快缺點：I/O指令沒有存儲器指令豐富，指令功能比較弱內(nèi)存空間I/O空間FFFFFH0FFFFH1、門電路地址譯碼（與門、非門、或門、與非門、或非門）D0~D7A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0數(shù)據(jù)線DBRDWRCS端口譯碼電路0D0~D710000110000&M/IORDWR三、I/O端口地址的譯碼2、譯碼器地址譯碼219H21AH21BH21CH21DH21EH21FH218H74LS138AY0BY1CY2G1Y3Y4G2AY5Y6G2BY7

0110000100&&A0A1A2M/IOA3A4A5A6A7A8A9RDWR10101010110011001111000074LS30與非門常用的譯碼器有74LS139、74LS138、74LS154等一、直接程序控制方式(程序方式)無條件傳送方式外部控制過程的各種動作在時間上是固定的,而且是已知的。條件傳送方式(查詢方式)傳送前,先查詢外設(shè)狀態(tài),準(zhǔn)備好才傳送,否則CPU處于等待狀態(tài)。6.3I/O傳送方式1、無條件傳送方式輸入時外設(shè)必須已準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，輸出時接口鎖存器必須為空。即接口和I/O設(shè)備在無條件傳送時必須要保持“就緒”狀態(tài)。

NY從狀態(tài)端口讀入狀態(tài)信息從數(shù)據(jù)端口傳送一個數(shù)據(jù)外設(shè)準(zhǔn)備好否？2、條件傳送方式狀態(tài)端口D4=1表示外設(shè)準(zhǔn)備好TESTAL,10HJZask

MOVDX,218HINAL,DXMOVDX,21CHask:INAL,DX查詢方式輸入接口三態(tài)緩沖器輸入設(shè)備數(shù)據(jù)線218H

數(shù)據(jù)端口地址譯碼地址線

狀態(tài)端口地址譯碼鎖存器

R

Q

D三態(tài)緩沖器+5vD421CH

STBIORA15~A0D7~D0&&查詢方式輸出接口MOVDX,21CHask:INAL,DXTESTAL,01h

JNZask

輸出設(shè)備數(shù)據(jù)線219H地址線

鎖存器

RD

Q

三態(tài)緩沖器+5vACKIORA15~A0D7~D0IOW狀態(tài)端口地址譯碼D021CH&&數(shù)據(jù)端口地址譯碼狀態(tài)端口D0=0表示外設(shè)準(zhǔn)備好MOVDX,219HOUTDX,ALMOVDX,21CHask:INAL,DXTESTAL,01h

JNZask

條件傳送方式優(yōu)點：接口簡單缺點：CPU不斷查詢外設(shè)狀態(tài)，降低了CPU的利用率。

為了提高的效率以及使系統(tǒng)具有實時性，通常采用中斷方式傳送數(shù)據(jù)。二、中斷傳送方式

中斷傳送方式是指由于某些隨機(jī)事件的產(chǎn)生，使CPU暫停當(dāng)前正在執(zhí)行的程序，而轉(zhuǎn)去處理相應(yīng)的外部事件，執(zhí)行一個為外設(shè)服務(wù)的I/O程序，執(zhí)行完畢后，CPU返回原來程序的斷點處繼續(xù)執(zhí)行。

INTA中斷方式輸入接口中斷請求DQ三態(tài)緩沖器&&中斷屏蔽觸發(fā)器Q端口譯碼地址總線RDINTR輸入數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)

輸入鎖存器+5VD0～D7中斷傳送方式優(yōu)點：

CPU和外設(shè)大部分時間處在并行工作狀態(tài),只在CPU響應(yīng)外設(shè)的中斷申請后，進(jìn)入數(shù)據(jù)傳送的過程，提高了CPU的效率。缺點：

利用中斷方式傳送數(shù)據(jù)，為了可靠的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，必須花費(fèi)一定的時間進(jìn)行斷點的保護(hù)和恢復(fù)，現(xiàn)場的保護(hù)和恢復(fù)等工作，浪費(fèi)了CPU很多時間。因此中斷方式一般適合傳送少量的數(shù)據(jù)及中低速外設(shè)，對于大量的輸入/輸出數(shù)據(jù)，應(yīng)采用高速的直接存儲器存取方式DMA.三、DMA控制方式(直接存儲器存取方式)實現(xiàn)方法：

1、由專用接口芯片DMA控制器(稱DMAC)控制傳送過程；2、當(dāng)外設(shè)需傳送數(shù)據(jù)時，通過

DMAC向CPU發(fā)出總線請求；3、CPU發(fā)出總線響應(yīng)信號，釋放總線；4、DMAC接管總線，控制外設(shè)、內(nèi)存之間直接數(shù)據(jù)傳送;5、DMA操作結(jié)束，將總線控制權(quán)交還給CPU。DMA

傳送方式過程CPUDMAC內(nèi)存外設(shè)總線響應(yīng)總線請求DMA傳送方式優(yōu)點：傳送速度快缺點：需用DMA控制器進(jìn)行控制，硬件連接也比較復(fù)雜四、接口設(shè)計實例例：顯示器采用7段LED，由BCD-7段譯碼/驅(qū)動器所驅(qū)動，并采用共陽極接法，假定任何時候至多只有一個開關(guān)閉合。編寫一程序段，顯示閉合開關(guān)序號，若無開關(guān)閉合，則顯示器不發(fā)光。74LS24574LS138顯示譯碼/驅(qū)動器74LS373+5VK7K0M/IO

A5A4A3A2A1A0

RDD7D0

WRY0ESTB&≥1≥111DATASEGMENTTABDB10H，11H，12H，13H，14H，15H，16H，17HDATAENDSCODESEGMENTASSUMECS:CODE,DS:DATASTART:MOVAX,DATAMOVDS,AXMOVBX，OFFSETTAB