第06章 輸入_new.ppt

1、第6章 輸入/輸出技術(shù),本章重點(diǎn)： 掌握8086/8088對數(shù)據(jù)輸入/輸出的控制方式 掌握地址譯碼技術(shù)及I/O端口編址方法 了解I/O接口電路的典型結(jié)構(gòu) 本章難點(diǎn)： 8086/8088對數(shù)據(jù)輸入/輸出的控制方式（程序控制、中斷控制、DMA控制） 地址譯碼技術(shù)及I/O端口編址方法,6.1 輸入/輸出接口電路及其典型結(jié)構(gòu) 6.1.1 為什么需要接口電路 外設(shè)是一種種類繁多，信號類型復(fù)雜的設(shè)備。輸入/輸出設(shè)備統(tǒng)稱為外設(shè)，基本外設(shè)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必須配置的部件。因此，在微計(jì)算機(jī)主機(jī)與外設(shè)之間就必須設(shè)置一種電路，能使CPU和外設(shè)間的工作協(xié)調(diào)起來，達(dá)到信息交換的目的。這種電路是一種界面（Interface），

2、被稱為輸入/輸出接口電路。,6.1.2 接口電路的組成 接口電路的典型結(jié)構(gòu),1.接向CPU一端的接口電路 （1）總線驅(qū)動器：用來實(shí)現(xiàn)對CPU數(shù)據(jù)總線速度和驅(qū)動能力的匹配。 （2）地址譯碼器：接收CPU地址總線信號，進(jìn)行譯碼，實(shí)現(xiàn)對寄存器（端口）的尋址。 （3）邏輯控制：接收CPU控制總線的讀/寫等控制，以實(shí)現(xiàn)對各寄存器（端口）的讀/寫操作和時(shí)序控制。,2.接向外設(shè)一端的接口電路 （1）數(shù)據(jù)寄存器（緩沖器）：包括數(shù)據(jù)輸入寄存器和輸出寄存器。前者用來暫時(shí)存放從外設(shè)送來的數(shù)據(jù)，以便CPU讀??；后者用來存放CPU送往外設(shè)的數(shù)據(jù)，以便外設(shè)取走。 （2）控制寄存器：其作用是存放CPU發(fā)來的各種控制命令（或

3、控制字）及其他信息。這些控制命令的作用包括設(shè)置接口的工作方式、工作速度、指定某些參數(shù)及功能?？刂萍拇嫫饕话阒荒軐懭搿?（3）狀態(tài)寄存器：其作用是保存外設(shè)的當(dāng)前狀態(tài)信息。例如，忙/閑狀態(tài)。準(zhǔn)備就緒狀態(tài)等，以供CPU查詢、判斷。 以上3類寄存器均可由程序進(jìn)行讀寫，類似于存儲器單元，所以又稱它們?yōu)榭删幊痰腎/O端口，統(tǒng)稱為端口（Port）。通常由系統(tǒng)給它們分配一個(gè)地址碼，被稱為端口地址。CPU訪問外設(shè)就是通過尋址端口來實(shí)現(xiàn)的,6.1.3接口電路的功能 接口的基本功能是在CPU的系統(tǒng)總線和I/O設(shè)備之間傳輸信息、提供緩沖作用，以滿足雙方的時(shí)序需要。,1.尋址功能 接口首先應(yīng)能對選擇存儲器M和I/O接口

4、的信號做出相應(yīng)判斷；此外，還要對送來的片選信號進(jìn)行識別，以斷定當(dāng)前接口是否被訪問，并確定是接口中的哪個(gè)寄存器被訪問。 2.輸入/輸出功能 接口要根據(jù)送來的讀/寫信號決定當(dāng)前進(jìn)行的是輸入操作還是輸出操作，并能從總線上接收來自CPU的數(shù)據(jù)和控制信息，或?qū)?shù)據(jù)或狀態(tài)信息送到總線上。,3.數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能 接口不但要從外設(shè)輸入數(shù)據(jù)或者將數(shù)據(jù)送往外設(shè)，并且要把CPU輸出的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成所連接外設(shè)可接收的數(shù)據(jù)格式（如串行格式）；或者反過來，把從外設(shè)輸入的信息轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)送往CPU。 4.復(fù)位功能 接口應(yīng)能接收復(fù)位信號，使接口本身及所連接的外設(shè)能夠重新啟動。 5.可編程功能 接口應(yīng)具有可編程功能，可以通過軟件

5、設(shè)置控制信號來使接口工作于不同的方式。,6.1.4接口電路的分類 1.專用接口芯片 這類芯片是為某類外設(shè)的專門功能而設(shè)計(jì)的專用控制芯片，如串行接口芯片、CRT控制器芯片、軟/硬磁盤控制器芯片，SDLC協(xié)議控制器芯片、鍵盤/顯示器接口芯片、網(wǎng)卡接口芯片，以及自行設(shè)計(jì)的其它專用芯片等。,2.通用接口芯片 這類接口可作為多種外設(shè)的接口，其功能是通用的，即通過用戶編程可指定接口的工作方式、工作狀態(tài)和功能，以適應(yīng)不同外設(shè)所提出的接口要求。因此，這類芯片被稱為可編程通用接口芯片。如第8章所述的的各種接口芯片。,6.2 80 x86 系列微機(jī)I/O端口地址分配及地址譯碼 6.2.1 80 x86 CPU的I

6、/O端口地址范圍 80 x86系列微處理器采用I/O端口獨(dú)立編址方式，使用地址總線中的低16位A0A15來尋址端口，因此，其I/O尋址空間最大為64KB。,6.2.2 IBM PC/XT微機(jī)的I/O端口地址分配 1. IBM PC/XT微機(jī)的I/O端口地址分配 IBM PC/XT及其兼容機(jī)使用低10位地址總線A0A9尋址端口，因此其地址空間為000H3FFH共計(jì)1024個(gè)字節(jié)端口。這些地址的分配如下： （1）系統(tǒng)板上基本I/O設(shè)備的接口：占用前512個(gè)端口地址； （2) I/O通道擴(kuò)展槽上常規(guī)外設(shè)接口：占用后512個(gè)端口地址； (3) 用戶作為擴(kuò)展功能模塊（插件板），在后512個(gè)端口地址中的3

7、00H31FH地址范圍中使用。,IBM PC微機(jī)系統(tǒng)I/O端口地址分配表,2. I/O端口的地址譯碼 系統(tǒng)中每接入一個(gè)新的接口電路，首先要為它分配對應(yīng)于內(nèi)部可編程寄存器的一個(gè)或多個(gè)端口地址，這要由相應(yīng)的地址譯碼電路來完成。地址譯碼電路常用高位地址信號譯碼產(chǎn)生接口芯片的片選信號，而把低位地址信號直接接到接口芯片做端口地址選擇用。 注意：8088CPU的PC/XT微機(jī)的控制信號AEN，經(jīng)反向后的作為譯碼電路的一個(gè)控制輸入信號，這是任何I/O端口地址譯碼電路必須采用的，否則動態(tài)存儲器的刷新操作會破壞有關(guān)I/O端口中的內(nèi)容。,例：以8088為CPU的某微處理器系統(tǒng)中，有一個(gè)I/O接口電路用到4個(gè)I/O

8、端口地址。系統(tǒng)為其分配的地址為300H303H。試采用組合邏輯門構(gòu)成譯碼電路，產(chǎn)生接口電路的片選信號。 解：根據(jù)題意，該譯碼電路應(yīng)由地址總線的A9A2驅(qū)動，AEN的反相信號作為控制信號，地位地址線A0A1直接接到接口芯片的地址端，可選擇00H03H四個(gè)端口地址。,I/O端口的譯碼電路,300H-303H,6.3 輸入/輸出數(shù)據(jù)的控制方式 CPU與外設(shè)之間數(shù)據(jù)交換的控制方式有：程序控制方式、中斷控制方式和直接存儲器存?。―MA）方式。,6.3.1 程序控制方式 程序控制方式就是依靠程序的控制來實(shí)現(xiàn)CPU和外設(shè)間的數(shù)據(jù)交換。它又分為：無條件傳送方式和程序查詢方式（條件傳送方式）。,1.無條件傳送方

9、式 這種方式又稱為同步傳送方式。是一種最簡單的輸入輸出方式，一般用于控制CPU與低速接口間的信息交換。其特點(diǎn)是靠程序控制CPU與外設(shè)之間實(shí)現(xiàn)同步而進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 無條件傳送方式適用于操作時(shí)間為已知，且數(shù)據(jù)變化緩慢的外設(shè)。例如，開關(guān)、繼電器和速度、溫度等變送器和LED顯示器。 例：用無條件傳送方式將8位二進(jìn)制開關(guān)設(shè)置的狀態(tài)輸入后，由8個(gè)發(fā)光二級管LED顯示。其電路圖如下圖所示，其中輸入緩沖器（74LS244）和輸出鎖存器（74LS373）均為三態(tài)。,8位二進(jìn)制開關(guān)控制LED顯示的接口電路,無條件傳送工作方式下的程序如下： CALL DELAY0 ；等待輸入同步 IN AL，PORT0 ；從端口輸

10、入8位開關(guān)的狀態(tài) CALL DELAY1 ；等待輸出同步 OUT PORT1，AL ；從端口輸出，控制LED顯示其狀態(tài) 程序中的DELAY0和DELAY1是用來實(shí)現(xiàn)同步的兩個(gè)延時(shí)子程序。,2.程序查詢（即條件傳送）方式 條件傳送方式的特點(diǎn)是：在傳送數(shù)據(jù)之前，必須去查詢一下外設(shè)的狀態(tài)，當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備好了才傳送，否則，CPU等待。從而較好的解決了CPU與外設(shè)的不同步問題。,條件傳送方式的輸入接口電路,例：試用條件傳送方式對A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集 解：實(shí)現(xiàn)條件傳遞方式數(shù)據(jù)采集的程序段如下： START: MOV DL，0F8H ；設(shè)置啟動A/D轉(zhuǎn)換的信號 MOV DI，OFFSET DSTOR ；輸

11、入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的地址偏移量給DI ； AGAIN：MOV AL，DL AND AL，0EFH ；使D4=0 OUT 04H，AL ；停止A/D轉(zhuǎn)換 ； CALL DELAY ；等待停止A/D操作的完成 MOV AL，DL OUT 04H，AL ；啟動A/D，且選擇模擬量A0,； POLL：IN AL，03H ；輸入狀態(tài)信息 SHL AL，1 JNC POLL ；若未準(zhǔn)備就緒，程序循環(huán)等待 ； IN AL，02H ；否則，輸入數(shù)據(jù) STOSB ；存至數(shù)據(jù)區(qū) JNC DL ；修改多路開關(guān)控制信號指向下一路模擬量 JNE AGAIN ；如8個(gè)模擬量未輸入完，循環(huán) ；已完，執(zhí)行別的程序段 ； DSTOR

12、 DB 8DUP（?) ；數(shù)據(jù),6.3.2 中斷控制方式 中斷控制方式的特點(diǎn)是，外設(shè)具有申請CPU服務(wù)的主動權(quán)。當(dāng)輸入設(shè)備已將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，或輸出設(shè)備可以接收數(shù)據(jù)時(shí)，便可以向CPU發(fā)出中斷請求，強(qiáng)迫CPU中斷正在執(zhí)行的程序和外設(shè)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳輸。待輸入操作或輸出操作完成后，CPU再恢復(fù)執(zhí)行原來的程序。與查詢工作方式不同的是，CPU不是主動查詢等待，而是被動響應(yīng)，CPU在兩個(gè)輸入或輸出操作過程之間，可以去做別的處理。因此，采用中斷傳送，CPU和外設(shè)是處在并行工作的狀態(tài)，這樣就大大提高了CPU的效率。,中斷控制方式輸入的接口電路,CPU接收到中斷請求后，如果CPU內(nèi)部的中斷允許觸發(fā)器（8086CPU

13、中為IF標(biāo)志）狀態(tài)為1，則在當(dāng)前指令被執(zhí)行完后，響應(yīng)中斷，并由CPU發(fā)回中斷響應(yīng)信號，將中斷請求觸發(fā)器復(fù)位，準(zhǔn)備接收下一次的選通信號。 CPU響應(yīng)中斷后，立即停止執(zhí)行當(dāng)前的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行一個(gè)為外部設(shè)備的輸入或輸出服務(wù)程序，此程序稱為中斷處理子程序或中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序執(zhí)行完后，CPU又返回到剛才的被中斷的斷點(diǎn)處，繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。,6.3.3 直接存儲器存取 （DMA）控制方式 在DMA（直接存儲器存?。┓绞较?，外設(shè)通過DMA的專門電路DMA控制器，向CPU提出接管總線控制權(quán)的要求，CPU在當(dāng)前的總線周期結(jié)束后，響應(yīng)DMA請求，把總線的控制權(quán)交給DMA控制器。于是在DMA控制器的管理下

14、，外設(shè)和存儲器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而不需要CPU干預(yù)。這樣可以大大提高數(shù)據(jù)傳送速度。 實(shí)現(xiàn)DMA傳送的基本操作如下：,(1)外設(shè)通過DMA控制器向CPU發(fā)出DMA請求； (2)CPU響應(yīng)DMA請求，系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)镈MA工作方式，CPU被掛起，并把總線控制權(quán)交給DMA控制器； (3)由DMA控制器發(fā)送存儲器地址，并決定傳送數(shù)據(jù)塊的長度； (4)執(zhí)行DMA傳送； (5)DMA操作結(jié)束，把總線控制權(quán)交還給CPU。,DMA傳送數(shù)據(jù)工作流程圖,由此可以看出，DMA之所以適用于大批量數(shù)據(jù)的快速傳送是因?yàn)椋阂环矫妫瑐魉蛿?shù)據(jù)內(nèi)存地址的修改、計(jì)算等均由DMA控制器完成（而不是CPU指令）；另一方面，CPU放棄對總線的

15、控制權(quán)，其現(xiàn)場不受影響，無需進(jìn)行保護(hù)和恢復(fù)。下一節(jié)將詳細(xì)介紹Intel公司的8273A可編程DMA控制器。 DMA傳送方式的優(yōu)點(diǎn)是以增加系統(tǒng)硬件的復(fù)雜性和成本為代價(jià)的。另外，DMA傳送期間，CPU被掛起，部分或完全失去對系統(tǒng)總線的控制，這可能會影響CPU對中斷請求的及時(shí)響應(yīng)與處理。,6.5 微機(jī)算機(jī)功能擴(kuò)展及總線標(biāo)準(zhǔn) 6.5.1 微計(jì)算機(jī)功能擴(kuò)展 微計(jì)算機(jī)功能擴(kuò)展是通過I/O擴(kuò)展槽實(shí)現(xiàn)的。 一個(gè)通用的微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對輸入/輸出的要求，除具有一般的擴(kuò)展，如鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)和磁盤外，還提供可供發(fā)展的I/O通道，即I/O擴(kuò)展槽。擴(kuò)展槽建立在微機(jī)內(nèi)總線，即系統(tǒng)總線的基礎(chǔ)上，為系統(tǒng)提供了插件板一

16、級的接口?？偩€是聯(lián)系微機(jī)內(nèi)部各部分資源的高速公路體系。因此，總線結(jié)構(gòu)性能的好壞、速度的高低和其優(yōu)化合理程度都將直接影響到微機(jī)的功能。,6.5.2 總線標(biāo)準(zhǔn) 1.通用總線標(biāo)準(zhǔn) 通用總線標(biāo)準(zhǔn)如S-100，STD，Multibus等總線。這類總線是由IEC（國際電工委員會）和IEEE（美國電氣與電子工程師協(xié)會）制定的，其特點(diǎn)是通用性、兼容性、可擴(kuò)展性和適應(yīng)能力均很強(qiáng)，適用于各類CPU系統(tǒng)，得到世界上許多廠商的支持。但這類標(biāo)準(zhǔn)未照顧到各種CPU自身的特點(diǎn)，構(gòu)成的系統(tǒng)成本高。在低成本的微機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用有一些困難。,2.國際總線標(biāo)準(zhǔn) 該標(biāo)準(zhǔn)是國際性的大微機(jī)廠商IBM，Intel，Microsoft，Comp

17、aq，HP，Motorola，Apple等根據(jù)自己生產(chǎn)的微機(jī)和兼容機(jī)系統(tǒng)聯(lián)合推出的總線標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)因相應(yīng)使用的微機(jī)數(shù)量大而得到普及推廣，并成為事實(shí)上的國際總線標(biāo)準(zhǔn)。許多外圍設(shè)備提供商和兼容機(jī)生產(chǎn)廠商都遵循這些標(biāo)準(zhǔn)，視這些標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)有同等的效力。最典型的就是應(yīng)用于80 x86系列微機(jī)的IBM PC/XT總線、PC/AT/ISA總線、PCI總線等。,6.5.3 ISA總線 ISA總線是經(jīng)世界認(rèn)可的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，又稱為PC/AT總線，向下兼容PC/XT總線。 1.IBM PC/XT總線 PC/XT總線是一種8位總線，它不僅具有8086/8088CPU的三總線信號，而且是重新驅(qū)動過的，具有多路處

18、理、中斷和DMA操作能力的增強(qiáng)性通道。該通道上的62條引線按照PC/XT總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范排列、每條引線上的信號在電氣性能上滿足PC/XT的要求，微機(jī)主板上有8個(gè)這樣的擴(kuò)展槽。,2.ISA總線 ISA總線是16位總線，是IBM PC/AT微機(jī)使用的總線。 它是在PC/XT總線的62線擴(kuò)展槽外，又增加一個(gè)36線的I/O擴(kuò)展槽組成的一長一短的兩個(gè)槽。增加的擴(kuò)展槽主要用來擴(kuò)充高位地址A20A23和高位數(shù)據(jù)字節(jié)D8D15，使系統(tǒng)可以通過它訪問16MB的存儲空間，并可以為外設(shè)和存儲器提供8位和16位的數(shù)據(jù)總線。ISA總線又被稱為IBM PC/XT（AT）總線。在IBM PC/AT微機(jī)主板上有8個(gè)62線的PC/

19、XT I/O通道。（J1J8），并有5個(gè)36線的擴(kuò)展槽，（J11至J14和J16）。62線擴(kuò)展槽和36線擴(kuò)展槽排成一列，以便插入電路板。,6.5.4 PCI局部總線 PCI外圍器件互連總線，是32位并能擴(kuò)展至64位的總線。,1.PCI總線的特點(diǎn) PCI提供兩種信號環(huán)境：5V和3.5V，并可進(jìn)行兩種環(huán)境的轉(zhuǎn)換，擴(kuò)大了它的適應(yīng)范圍。它對32位與64位總線的使用是透明的，允許32位與64位器件相互協(xié)作。PCI標(biāo)準(zhǔn)允許PCI局部總線擴(kuò)展卡進(jìn)行自動配置，提供了即插即用的能力。 PCI總線獨(dú)立于處理器，它的工作頻率與CPU時(shí)鐘無關(guān)，可支持多級系統(tǒng)及未來的處理器。它有良好的兼容性，保持與ISA、EISA、V

20、ESA、MCA等標(biāo)準(zhǔn)的兼容性，使高性能的PCI總線與大量已使用的傳統(tǒng)總線技術(shù)特別是ISA總線并存。,PCI總線性能的特點(diǎn)如下：； 總線時(shí)鐘33MHz，寬度32位，并可擴(kuò)展到64位； 存取延遲小，大大縮短了外圍設(shè)備取得總線控制權(quán)所需時(shí)間； 采用總線主控和同步操作； 獨(dú)立于CPU的結(jié)構(gòu)，兼容性好； 適應(yīng)性廣（臺式機(jī)和便攜機(jī)），預(yù)留了發(fā)展空間和考慮到技術(shù)發(fā)展的潛力，能將傳輸速率提高到264MB/s； 具有自動配置功能，支持即插即用，因PCI接口包含一小塊存儲器，其中可存儲允許自動配置PCI卡的信息； 成本低、效率高，因?yàn)榇丝偩€一開始就采用優(yōu)化的集成電路，引腳多數(shù)復(fù)用。,6.5.5 USB總線 USB

21、（Universal Serial Bus，通用串行總線）是一種新型的外設(shè)接口標(biāo)準(zhǔn)。 1.USB的物理接口和電氣特性 (1)接口信號線：USB總線（電纜）包括4根信號線，如圖所示。其中D+和D-為信號線，傳送信號，是一對雙絞線；VBUS和GND是電源和地線。USB的接插件（插頭/座）也比較簡單，只有4芯。上游是4芯長方形插頭，下游是4芯方形插頭，兩頭不能弄錯(cuò)。 (2)電氣特性：電源電壓為4.75V5.25V，由USB主機(jī)提供，設(shè)備能吸入最大的電流為500mA。,2.USB系統(tǒng)的組成 USB系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。 （1）硬件部分：USB系統(tǒng)的硬件包括USB主機(jī)，USB設(shè)備（Hub及功能設(shè)備）和鏈接電纜。 USB主機(jī)是一個(gè)帶有USB主控制器的PC微機(jī)，是USB系統(tǒng)的主控設(shè)備，一個(gè)USB系統(tǒng)只有1個(gè)主機(jī)。 USB主控制