《微機(jī)原理與接口技術(shù)》第5章-數(shù)據(jù)輸入輸出方式

第5章數(shù)據(jù)輸入/輸出方式

5.1I/O接口5.2輸入/輸出控制方式5.332位數(shù)據(jù)線與8位I/O接口的連接5.1I/O接口

5.1.1輸入/輸出概述

5.1.2接口功能

5.1.3I/O接口組成

5.1.4I/O端口編址

5.1.5I/O接口分類

5.1.1輸入/輸出概述

計(jì)算機(jī)的工作過程包括數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果輸出三個(gè)階段。因此，輸入輸出也是計(jì)算機(jī)工作的重要環(huán)節(jié)，其設(shè)備稱為輸入輸出設(shè)備，簡稱外設(shè)。外設(shè)通過接口電路與主機(jī)相連，在主機(jī)的控制下工作。外設(shè)、I/O接口及其相關(guān)的程序統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)的輸入輸出系統(tǒng)，即I/O系統(tǒng)。

I/O接口泛指主機(jī)與外部設(shè)備或其它計(jì)算機(jī)之間連接的電路，亦稱為適配器。5.1.2接口功能

主要有：信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)緩沖與時(shí)序匹配、電氣特性匹配、可編程功能及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

1.信號(hào)轉(zhuǎn)換信號(hào)轉(zhuǎn)換包括電信號(hào)與非電信號(hào)的轉(zhuǎn)換、數(shù)字量與非數(shù)字量信號(hào)的轉(zhuǎn)換、編碼與解碼以及傳送方式的轉(zhuǎn)換等。對(duì)于多媒體設(shè)備，還有音頻、視頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換與處理。

2.數(shù)據(jù)緩沖與時(shí)序匹配高速主機(jī)與低速外設(shè)之間常需設(shè)置緩沖器或者緩沖存儲(chǔ)器，以實(shí)現(xiàn)二者之間的速度匹配。比如顯卡中的顯示存儲(chǔ)器。

3.電氣特性匹配計(jì)算機(jī)內(nèi)部使用TTL電平，而外設(shè)的輸入輸出信號(hào)既有TTL電平，也有CMOS或其它規(guī)格的電平，因此需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。另外，還需要增強(qiáng)總線的驅(qū)動(dòng)能力

4.可編程功能一般接口電路常有多種工作方式，通過編程進(jìn)行設(shè)定或者選擇。因此在接口電路中常設(shè)有可尋址的狀態(tài)字寄存器和控制字寄存器，以設(shè)定接口的工作方式。

5.數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換包括并/串轉(zhuǎn)換或串/并轉(zhuǎn)換，有時(shí)還要實(shí)現(xiàn)ASCII碼、BCD碼甚至漢字?jǐn)?shù)符的轉(zhuǎn)換。

I/O接口如圖5-1所示，是CPU與外部設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳送的控制器。在CPU一端傳送地址、數(shù)據(jù)和控制信號(hào)，在I/O設(shè)備一端傳送控制信號(hào)、數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息。因此一般包括I/O地址譯碼器、數(shù)據(jù)輸入輸出緩沖電路、控制寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷控制邏輯與中斷向量寄存器等部件，傳送的數(shù)據(jù)或（稱信息），可分為三類。

1.數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)是輸入輸出設(shè)備傳送的基本信息。輸入時(shí)由輸入設(shè)備傳送給CPU或存入存儲(chǔ)器；輸出時(shí)由輸出設(shè)備顯示、打印，或者傳送給其它設(shè)備。在接口電路中，設(shè)有數(shù)據(jù)鎖存與緩沖器，有時(shí)還需要進(jìn)行格式或者編碼的轉(zhuǎn)換。5.1.3I/O接口組成

圖5-1

2.地址由于外設(shè)往往不是一個(gè)，而是多個(gè)。為此分配有不同的地址，以便識(shí)別。數(shù)據(jù)輸入輸出時(shí)，首先要發(fā)送地址，經(jīng)譯碼器選擇某一外部設(shè)備。因此，在接口電路中設(shè)有地址鎖存與譯碼器。

3.狀態(tài)與控制信號(hào)狀態(tài)信號(hào)反映的是外設(shè)的工作狀態(tài)，存于接口中的狀態(tài)寄存器，以便CPU讀取檢查?？刂菩盘?hào)是CPU向外設(shè)發(fā)出的I/O控制命令，經(jīng)接口傳送給外部設(shè)備，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的I/O操作。通過接口電路還可增強(qiáng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。在I/O接口電路中，各寄存器都可作為一個(gè)端口而設(shè)定地址。CPU通過地址對(duì)其訪問或者編程，比如設(shè)定參數(shù)，選擇工作方式，讀取狀態(tài)標(biāo)志或中斷向量，傳送數(shù)據(jù)等。

在I/O接口電路中，每一個(gè)可由CPU直接訪問寄存器統(tǒng)稱為端口，可對(duì)其分配地址，也稱為編址，以便CPU訪問。編址的方法有兩種，即統(tǒng)一編址和獨(dú)立編址。

1.統(tǒng)一編址統(tǒng)一編址是把外部設(shè)備的端口地址與存儲(chǔ)器地址統(tǒng)一編排。也就是說，在主存空間中劃出一部分區(qū)域用作I/O地址，使輸入輸出變成對(duì)某個(gè)地址單元的讀/寫操作，CPU可使用訪問主存的指令訪問外部設(shè)備，而不需要專門的I/O指令。但是，I/O端口占用了主存地址空間，使主存減少。5.1.4I/O端口編址

2.獨(dú)立編址獨(dú)立編址是對(duì)I/O端口和主存分別編址，兩者的地址都是從0開始。CPU訪問時(shí)，通過專門的選通信號(hào)確定地址總線上傳送的是I/O地址還是主存地址。采用獨(dú)立編址，I/O地址不占用主存空間，但是需要專I/O指令。目前的Pentium微處理器采用的就是這種獨(dú)立編址方式。另外，也可以把二者結(jié)合起來，構(gòu)成混合編址方式。即一部分址獨(dú)立，一部分與主存空間合為一體。

5.1.5I/O接口分類

接口處于主機(jī)與外部設(shè)備之間，有多種類型，而且按照不同的特征或應(yīng)用又有不同的分類方式。

1.按照傳輸信號(hào)分類按照傳輸信號(hào)分類，可分為數(shù)字量輸入輸出接口和模擬量輸入輸出接口。對(duì)于數(shù)字量信號(hào)，計(jì)算機(jī)可以通過數(shù)字量接口直接與輸入輸出設(shè)備連接。對(duì)于模擬信號(hào)，則要通過A/D或D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換

2.按照傳輸數(shù)據(jù)方式分類按照傳輸數(shù)據(jù)的方式分類，可分為并行I/O接口和串行I/O接口。

（1）并行I/O接口：是多位數(shù)據(jù)同時(shí)傳送，傳輸線的寬度與數(shù)據(jù)位數(shù)一致，而且各條數(shù)據(jù)線的電氣特性也要一致。因此，傳輸效率高，成本較高，傳輸距離受到限制。

（2）串行I/O接口：即按位傳輸，傳輸線少，效率較低，成本低，適合遠(yuǎn)距離傳送。由于在計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)是并行存儲(chǔ)與處理的，因此串行接口必須配有并/串和串/并轉(zhuǎn)換電路。

3.按照傳輸控制方式分類按照傳輸控制方式分類，可分為直接/查詢傳送方式、中斷控制和DMA傳送方式。另外，還有通道和I/O處理機(jī)等。5.2輸入/輸出控制方式

5.2.1直接傳送方式5.2.2程序查詢傳送方式5.2.3中斷控制輸入/輸出方式5.2.4直接存儲(chǔ)器存?。―MA）方式5.2.5通道控制方式與I/O處理器

計(jì)算機(jī)外部設(shè)備的種類很多，不同的設(shè)備因其工作原理與性能的不同，具有不同的輸入輸出方式。這一點(diǎn)決定了CPU對(duì)外部設(shè)備要有不同的控制方法；同時(shí)還要有相應(yīng)的接口電路。目前，計(jì)算機(jī)所采用的輸入輸出方式主要有直接傳送方式、程序查詢方式、中斷控制方式、直接存儲(chǔ)器存?。―MA）方式、通道方式以及I/O處理機(jī)方式等。5.2.1直接傳送方式

直接傳送方式也稱為無條件傳送方式，它要求外部設(shè)備時(shí)刻處于就緒狀態(tài)，隨時(shí)可接收CPU傳送的數(shù)據(jù)，或者由CPU執(zhí)行讀操作，而不需要CPU去判斷外部設(shè)備處于何種狀態(tài)。

1.直接輸入如圖5-2所示，數(shù)據(jù)輸出鎖存器與CPU的數(shù)據(jù)總線直接連接。當(dāng)CPU執(zhí)行輸出指令時(shí)，由系統(tǒng)總線輸出地址、IO/M信號(hào)、數(shù)據(jù)和讀命令RD；經(jīng)過地址譯碼、IO/M選擇和寫驅(qū)動(dòng)后，輸出數(shù)據(jù)寫入輸出鎖存器，并送輸出設(shè)備。

圖5-2

2.直接輸出如圖5-3所示，數(shù)據(jù)輸出鎖存器與CPU的數(shù)據(jù)總線直接連接。當(dāng)CPU執(zhí)行輸出指令時(shí)，由系統(tǒng)總線輸出地址、IO/M信號(hào)、數(shù)據(jù)和寫命令WR；經(jīng)過地址譯碼、IO/選擇和寫驅(qū)動(dòng)后，輸出數(shù)據(jù)寫入輸出鎖存器，并送輸出設(shè)備。圖5-3

3.應(yīng)用舉例

【例5.1】如圖5-4所示，其中輸入設(shè)備是８個(gè)開關(guān)S7～S0，經(jīng)三態(tài)緩沖器74LS244與系統(tǒng)總線連接；輸出設(shè)備是８個(gè)發(fā)光二極管Q7～Q0，連接在鎖存器74LS273的輸出端；完成的功能是扳動(dòng)輸入開關(guān)，控制發(fā)光二極管發(fā)光。

解：(1)電路中地址譯碼信號(hào)與相“或”(負(fù)邏輯“與”)后，選通74LS244，可讀入8個(gè)開關(guān)信號(hào)S7～S0；地址譯碼信號(hào)與相“或”

(負(fù)邏輯“與”)后，驅(qū)動(dòng)74LS273，鎖存CPU輸出的數(shù)據(jù)。

(2)扳動(dòng)開關(guān)S7～S0，設(shè)定某種狀態(tài)，然后由CPU執(zhí)行下面的程序。

MOVDX，81F4H；取端口地址81F4H→DXINAL,DX;讀開關(guān)狀態(tài)

OUTDX,AL;輸出信號(hào)S7～S0圖5-45.2.2程序查詢傳送方式

程序查詢傳送方式的控制流程如圖5-5所示，通過程序來控制主機(jī)和外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送。在這種方式中，接口要設(shè)有狀態(tài)端口、控制端口和數(shù)據(jù)端口，其示意如圖5-1所示圖5-5

1.查詢方式輸入首先執(zhí)行輸入指令，讀狀態(tài)端口，并判斷外設(shè)數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好。若準(zhǔn)備就緒，CPU再次執(zhí)行輸入指令從數(shù)據(jù)端口讀取數(shù)據(jù)，同時(shí)經(jīng)控制端口向外設(shè)發(fā)“數(shù)據(jù)已接收”信號(hào)，以使外設(shè)繼續(xù)準(zhǔn)備下一數(shù)據(jù)。若外設(shè)處于未準(zhǔn)備好狀態(tài)，CPU循環(huán)查詢，等待外設(shè)準(zhǔn)備好。

2.查詢方式輸出首先執(zhí)行輸入指令，讀狀態(tài)端口，并判斷外設(shè)是否準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)。若準(zhǔn)備就緒，CPU執(zhí)行輸出指令通過數(shù)據(jù)端口輸出數(shù)據(jù)，同時(shí)從控制端口向外設(shè)發(fā)數(shù)據(jù)輸出信號(hào)，啟動(dòng)外設(shè)接收數(shù)據(jù)。若外設(shè)處于未準(zhǔn)備好狀態(tài)，CPU循環(huán)查詢，等待外設(shè)準(zhǔn)備好。

3.應(yīng)用舉例

【例5.2】

如圖5-6所示接口電路，是以查詢傳送方式與微機(jī)系統(tǒng)連接傳送數(shù)據(jù)。通過編程，把主存中從D2000H單元開始的1000個(gè)數(shù)據(jù)輸出給外部設(shè)備。

解：(1)數(shù)據(jù)端口、控制端口均由鎖存器74LS273組成，端口地址分別為02F8H和02F9H；狀態(tài)端口由三態(tài)門74LS244組成，端口地址為02FAH。地址選擇信號(hào)由3～8譯碼器74LS138產(chǎn)生。

(2)外部設(shè)備只能在不忙(BUSY=0)時(shí)，接收數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)D7～D0由信號(hào)選通輸入給外設(shè)；外設(shè)接收數(shù)據(jù)后，進(jìn)行處理，并使標(biāo)志BUSY=1；數(shù)據(jù)處理完后，BUSY=0，可接收新的數(shù)據(jù)。信號(hào)BUSY連接到狀態(tài)端口74LS244上，CPU執(zhí)行IN指令可讀端口02FAH的值，測試D7位，即判定外設(shè)BUSY信號(hào)。CPU執(zhí)行OUT指令，向控制端口02F9H發(fā)控制字，由控制字的D0位產(chǎn)生選通信號(hào)。圖5-6查詢方式輸出接口電路(3)I/O控制程序：DAOUT:MOVAX，0D200HMOVDS，AXMOVBX，0；初始化內(nèi)存首地址

MOVCX，1000；初始化計(jì)數(shù)器

MOVDX，02F9HMOVAL，01HOUTDX，AL；初始化選通信號(hào)

NEXT:MOVDX，

02FAH

WAIT:INAL，DXANDAL，80HJNZWAIT；狀態(tài)查詢

MOVDX，02F8HMOVAL，[BX]OUTDX，AL；數(shù)據(jù)輸出

MOVDX，02F9HMOVAL，00HOUTDX，AL；產(chǎn)生選通信號(hào)

CALLDLY100MS；DLY100MSMOVAL，

01H

OUTDX，

ALINCBX；修改內(nèi)存指針

LOOPNEXT；輸出次數(shù)的循環(huán)控制

RET5.2.3中斷控制輸入/輸出方式

由于CPU的速度很快，而外部設(shè)備的速度常常很慢。為了不在數(shù)據(jù)傳送時(shí)因等候外設(shè)的工作而影響CPU的效率，常采用中斷的方式進(jìn)行控制。

1.中斷處理過程中斷控制是在CPU啟動(dòng)外部設(shè)備工作后繼續(xù)執(zhí)行原來的程序，而外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的準(zhǔn)備工作。當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備好后，向CPU發(fā)中斷請(qǐng)求信號(hào)，CPU響應(yīng)后，暫停正在運(yùn)行的程序，轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，傳送完畢返回被中斷的位置，繼續(xù)執(zhí)行原來的程序，其示意如圖5-7所示。

為了實(shí)現(xiàn)中斷控制，需由專門的接口電路把外設(shè)的中斷請(qǐng)求信號(hào)傳送給CPU，同時(shí)提供中斷服務(wù)程序的入口地址。CPU根據(jù)入口地址轉(zhuǎn)入相應(yīng)的服務(wù)程序。若有多臺(tái)設(shè)備同時(shí)請(qǐng)求，需能確定首先為哪一臺(tái)設(shè)備服務(wù)。

圖5-7

2.中斷控制方式的特點(diǎn)外部設(shè)備作為CPU的一個(gè)中斷源，以中斷的方式與CPU傳送數(shù)據(jù)。CPU僅當(dāng)響應(yīng)外設(shè)的中斷請(qǐng)求后才去執(zhí)行輸入輸出程序，其余時(shí)間執(zhí)行主程序。其優(yōu)點(diǎn)是外設(shè)可與CPU并行工作，解決了外設(shè)速度慢、主機(jī)速度快的矛盾，節(jié)省了CPU的時(shí)間。但是，接口電路復(fù)雜，除具備一般數(shù)據(jù)輸入輸出的功能外，還要傳送中斷請(qǐng)求與響應(yīng)信號(hào)；在CPU響應(yīng)中斷請(qǐng)求時(shí)，向CPU提供中斷向量；在有多個(gè)中斷源時(shí)，可排隊(duì)判優(yōu)。為了滿足中斷控制方式的需要，目前已有多種中斷控制接口電路，比如常用的Intel8259等。有關(guān)Intel8259的組成與使用，將在第8章介紹。5.2.4直接存儲(chǔ)器存取（DMA）方式

直接存儲(chǔ)器存取DMA（DirectMemoryaccess）方式是在外設(shè)與存儲(chǔ)器之間不經(jīng)CPU控制，直接傳送數(shù)據(jù)，如圖5-8所示。因此，需要在CPU與I/O設(shè)備之間增加一個(gè)DMA控制器。圖5-8

當(dāng)外部設(shè)備需要與主存交換數(shù)據(jù)時(shí)，首先向DMA控制器發(fā)出DMA請(qǐng)求信號(hào)DMARQ，DMA控制器收到請(qǐng)求信號(hào)后，向CPU發(fā)出總線請(qǐng)求信號(hào)BUSRQ；CPU響應(yīng)總線請(qǐng)求后，向DMA控制器發(fā)總線響應(yīng)信號(hào)BUSAK，同時(shí)讓出總線控制權(quán)。這時(shí)，CPU只能執(zhí)行不使用總線的內(nèi)部操作或暫停。

當(dāng)DMA控制器收到信號(hào)后，接受總線控制權(quán)，向I/O設(shè)備發(fā)DMA響應(yīng)信號(hào)，同時(shí)選通I/O接口。如果是由存儲(chǔ)器向I/O設(shè)備輸出數(shù)據(jù)，DMA控制器發(fā)存儲(chǔ)器地址和讀命令，將主存中的數(shù)據(jù)讀到數(shù)據(jù)總線上，接著發(fā)I/O寫命令，寫入I/O接口（即外設(shè)中）。

如果是由I/O設(shè)備向主存輸入數(shù)據(jù)，DMA控制器發(fā)I/O讀命令，將I/O設(shè)備中的數(shù)據(jù)讀到數(shù)據(jù)總線上，接著發(fā)存儲(chǔ)器地址和寫命令，寫入主存單元中。傳送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)后，DMA控制器修改地址，指向主存的下一單元，且計(jì)數(shù)器減1計(jì)數(shù)。如果沒有傳送完，重復(fù)上述過程。如果傳送結(jié)束，DMA控制器撤銷總線請(qǐng)求信號(hào)DMARQ，歸還總線控制權(quán)。

主要特點(diǎn)是傳送過程由硬件電路控制，一個(gè)總線周期傳送一個(gè)字節(jié)，效率高，速度快，且不破壞CPU的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，不存在保護(hù)現(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場的過程，但是硬件電路復(fù)雜。常用接口有Intel8237A或其它包含8237功能的多功能組合芯片。5.2.5通道控制方式與I/O處理器

在大、中型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，配置的I/O設(shè)備很多，于是DMA控制器發(fā)展成了通道控制器。

1．I/O通道（I/OChannel）

“通道”是一個(gè)專用的名稱，相對(duì)獨(dú)立，有較強(qiáng)的自治能力。早期主要由用于數(shù)據(jù)輸入輸出的CPU構(gòu)成，可配置簡單的輸入輸出程序。它接收主CPU的命令，控制數(shù)據(jù)傳送，可與主CPU并行工作。輸入輸出程序可以在主存中，也可以在通道的局部存儲(chǔ)器中。主CPU一旦啟動(dòng)通道工作，通道CPU即從主存或通道存儲(chǔ)器中取出相應(yīng)的程序，控制數(shù)據(jù)的輸入輸出。

2.I/O處理器（IOP）隨著通道技術(shù)的發(fā)展，通道CPU發(fā)展成I/O處理器（I/OProcessor），也稱為I/O處理機(jī)，主要由一個(gè)進(jìn)行I/O操作的CPU、內(nèi)部寄存器、局部存儲(chǔ)器以及設(shè)備控制器組成?？捎卸鄠€(gè)通道，分別與多個(gè)設(shè)備控制器連接。而一個(gè)設(shè)備控制器可控制多臺(tái)外設(shè)工作。在實(shí)際使用中，I/O處理器與主CPU構(gòu)成多處理器（或稱