数据端口由锁存器实现基本输入输出接口34查询方式的典型课件.ppt
微型计算机系统,Company Logo,2,第六章：基本输入输出接口,教学提示：按照冯诺依曼对计算机的划分，计算机包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个大的部分。在前面的章节中，我们主要介绍了CPU与存储器之间的数据传送和数据处理。但是，计算机要与外界联系，就必须通过输入设备接收信息、通过输出设备发送信息，在本章中我们主要介绍这部分知识。,教学要求:通过本章学习，需要掌握输入/输出接口的基本概念，掌握 I/O接口的分类和基本功能，掌握CPU与外部设备数据传送的几种基本方式和相关的指令,Company Logo,3,基本内容:,6.1 I/O接口概述 6.1.1 I/O接口的主要功能 6.1.2 I/O接口 6.1.3 I/O端口的编址方法 6.1.4 8088/8086的输入/输出指令6.2 I/O接口的数据传送方式 6.2.1 无条件传送方式及其接口 6.2.2 查询传送方式及其接口 6.2.3 中断传送方式及其接口 6.2.4 DMA传送方式,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,4,6.1 I/O接口概述,输入/输出设备的种类十分繁杂，各自有着不同的电平信号、数据格式、传送速度等，通常与CPU的访问信号是不协调的，所以CPU一般不能直接访问这些输入/输出设备，而是要在CPU和输入/输出设备之间安置一个接口电路，通过接口电路的转换，使得来自输入设备的信号能够被CPU读取、CPU的输出信号能够被输出设备接受。,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,5,用于连接CPU和外部设备，并进行相应信号转换的电路称为I/O接口电路(或接口电路)。,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,6,I/O接口的基本功能是能够根据CPU的要求对I/O设备进行管理与控制，实现信号逻辑及工作时序的转换，保证CPU与外设之间能进行可靠有效的信息交换。,1、对输入/输出的信号进行变换 输入/输出设备的信号与CPU的信号在数据格式、电平高低、传送速度等方面有着很大的差别，所以接口电路就需要把这些信号变换成适合对方的形式。,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,7,2、对输入/输出的数据进行缓冲和锁存 通常输入/输出设备的工作速度比CPU都慢很多，而且CPU的工作繁忙，所以要对输入/输出的数据进行缓冲和锁存，有效地提高整个计算机的工作效率。,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,8,（1）输出时，数据必须锁存。CPU输出某个数据后，马上就要进行后续的其他工作，而这时输出设备还没取走该数据，这就需要接口电路（通常采用锁存器）把CPU输出的数据锁存下来，供输出设备读取。,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,9,（2）输入时，数据必须进行缓冲隔离。当输入设备向CPU送来一个数据时，此时CPU可能正在使用数据总线进行其他相关工作，所以需要接口电路（通常采用三态缓冲器）对数据进行缓冲。待CPU有空来选通接口电路读取这数据。,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,10,3、完成设备的选择和寻址 一个计算机系统中，需要通过许多接口电路连接了许多外部设备，当CPU访问到该接口电路中寄存器时，应执行相应的读写操作，而当CPU访问其他接口电路中寄存器时，则这个接口电路不应操作。,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,11,6.1.2 I/O接口,1、数据信息、状态信息及控制信息,CPU和外设之间传送 三种信息 数据信息、控制信息和状态信息。,数据信息:有数字量、模拟量和开关量三种类型：数字量：以二进制码形式提供的信息。开关量：用2个状态表示的信息。模拟量：指由传感器等提供的由物理量转换成的相应的连 续变化的电信号。,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,12,状态信息表征外设的工作状态对输入接口,外设是否准备好发送数据，“READY”准备好?对输出接口,外设是否准备好接收数据，“BUSY”外设忙吗?,控制信息 CPU控制外设工作的命令 CPU通过接口发出的命令，如A/D转换器的启/停信号，设置外设的工作模式等。,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,13,2、接口与端口,接口(Interface)CPU与外设之间传递信息的控制电路，是CPU与外设之间传送信息的一个“界面”、一个连接部件。,端口（Port）接口中可以由CPU进行读或写的寄存器。,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,14,按照存放的信息类型进行分类，端口可以分成数据端口、状态端口、控制端口3种：,数据端口:存放外部设备传送来的数据，供CPU读取或存放CPU 输出的数据，并传送给外部设备；状态端口:用于暂存外设的状态信息，供CPU读取；控制端口:用于存放CPU 发送给外设或接口的控制信息，控制 外设或接口的工作方式。,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,15,典型的接口电路示意图如图所示：,CPU就是通过访问这些I/O端口，完成控制外部设备、了解外设的工作状态、与外设进行数据传送等操作的。,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,16,6.1.3 I/O端口的编址方法（寻址方式）,为了区分接口电路的各个寄存器，系统为它们各自分配了一个地址，称为I/O端口地址，以便对它们进行寻址。I/O端口有两种编址方式：存储器映像编址方式、I/O独立编址方式。,1、和存储器统一编址（存储器映象编址）方式,存储器和I/O端口共用统一的地址空间，每一个端口视为一个存储单元；,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,17,访问I/O端口同样用MOV指令，所有访问存储器的指令（包括存储器的算术、逻辑运算指令）都可用于I/O端口，系统 编程比较灵活；I/O占用了一部分内存空间；指令的机器码较长，执行时间也长；,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,18,采用存储器与I/O接口统一编址的计算机系统的示意图如右图所示。该系统中存储器单元和I/O接口一共有64K(地址是0000HFFFFH)，其中地址为3000H37FFH的部分是I/O接口，其余部分是存储器单元，实际存储器有62K个单元。,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,19,2、端口独立编址方式,存储器和I/O接口各自使用不同的地址空间。8086/8088系统中，存储器的地址范围是FFFFFH00000H，I/O接口的地址范围是0000HFFFFH；CPU利用专门的输入/输出指令访问I/O接口；I/O接口不占用存储器的空间；I/O端口的地址码较短，译码电路比较简单，程序比较清晰；程序设计灵活性较差，I/O指令的功能一般不如存储器访问指令丰富，程序设计灵活性较差。,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,20,8088/8086系统中存储器和I/O接口之间的关系如图所示。存储器和I/O接口的地址是各自独立的，存储器的地址范围是00000HFFFFFH，I/O接口地址范围是0000HFFFFH，相互之间完全独立。,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,21,6.1.4 8088/8086的输入/输出指令,在8088/8086为CPU的计算机系统中，I/O接口的编址采用的是独立编址方法，系统中I/O接口的地址范围是FFFFH0000H。8088/8086指令系统中有专门访问I/O接口的输入/输出指令：,1、输入指令 IN,（1）指令格式1：IN AL，n；指令中目的操作数必须是累加器，n为端口号（端口地址）必须 FFH 指令功能：把地址为n的端口的8位信息传送给AL；,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,22,例：IN AL，20H 该指令把20H端口的内容送到AL寄存器中。,（2）指令格式2：IN AL，DX；指令功能：用DX间接寻址，把DX表示端口地址的端口的8位信息 传送给AL；DX为0000-FFFFH的值；,例：MOV DX，200H IN AL，DX 实现将200H号端口的内容送入AL,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,23,(3)指令格式3：IN AX，n 指令功能：读入n、n+1两个I/O端口的内容，分别送入AL和AH。例：IN AX，20H；一次读入20H、21H两个端口的内容，分别送入AL和AH中,(4)指令格式4：IN AX，DX 指令功能：用DX间接寻址，读取由DX和DX+1表示端口地址的 两个端口的内容，分别送入AL和AH中。例：MOV DX，200H IN AX，DX。用这两条指令，输入200H和201H号端口的内容，分别送入AL 和AH中。,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,24,2、输出指令,(1)指令格式1：OUT n，AL 指令功能：把AL的信息传送给地址为 n的端口；例：OUT 20H，AL。该指令把AL寄存器的内容送到20H端口中；,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,25,(2)指令格式2：OUT DX，AL 指令功能：把AL中的信息传送给由DX表示端口地址的一个 端口；例：MOV DX，200H OUT DX，AL 利用这两条指令，可以把AL寄存器的内容，送入200H号 端口。,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,26,(3)指令格式3：OUT n，AX 指令功能：该指令一次把AL和AH内容，分别送入地址为 n和n+1的两个I/O端口中。例：OUT 20H，AX 把AL和AH的内容，分别送入20H、21H两个端口中。,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,27,(4)指令格式：OUT DX，AX 指令功能：该指令一次把AL和AH中的内容，分别送入由DX和 DX+1表示的两个端口。例：MOV DX，200H OUT DX，AX 利用这两条指令，把AL和AH中的内容,分别送入200H和 201H号两个端口。,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,28,6.2 I/O接口的数据传送方式 CPU与I/O接口进行数据传送的方式也有多种形式，常见的有：无条件传送方式、查询传送方式、中断传送方式、DMA传送方式。无条件传送方式、查询传送方式又称为程序控制传送方式。,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,29,6.2.1 无条件传送方式及其接口,CPU不检查外部设备的状态，直接进行数据传送的传送方 式。简单，适用于慢速外设，CPU认为需要时，可以随时给这种外部设备输出数据或从这种外部设备上输入数据。如：LED（输出），乒乓开关（输入）无条件传送方式的接口只包含数据端口，输入端口时采用三态输入缓冲器实现数据端口，输出端口时采用锁存器实现数据端口；,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,30,无条件输入输出传送方式的典型接口电路：,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,31,【例6.1】CPU 控制LED发光二极管不同的点亮状态，采用 无条件传送方式，向接口输出数据。,一个简单的发光二极管输出接口电路如图所示：每位触发器控制对应的发光二极管，触发器输出为“1”，发光二极管导通发光；触发器输出为“0”，发光二极管就不能发光；,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,32,【例6.2】一个跳线开关输入接口电路如 图所示。,跳线开关是常用于系统的设置的输入装置，一般采用无条件传送方式，访问跳线开关装置。每个三态门对应一个开关。如果某位跳线开关不短接（断开），则CPU读入该位的状态是“1”；如果某位跳线开关短接到地线上，则CPU读入该位的状态是“0”。,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,33,6.2.2 查询传送方式及其接口,CPU在进行数据传送之前，先检查状态端口，如果外部设备当前处于“准备好”的状态，就进行数据传送；否则，再次检查状态端口，直至检测到外部设备“准备好”，再进行数据传送。,CPU的工作效率非常低 接口包括数据端口和状态端口，状态端口由三态输入缓冲器实现；输入设备时，数据端口由三态输入缓冲器实现；输出设备时，数据端口由锁存器实现；,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,34,查询方式的典型输出接口电路：,数据输出的工作过程：()8088CPU 在输出数据前，先要查询设备的状态，执行读状态端口操作，判断从状态口读入数据的D7位是1还是0，若为1表示设备忙，则等待后再查询；若为0表示设备空闲，CPU 将数据写入数据端口，同时将状态触发器置1。之后重复以上的操作，周而复始。,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,35,()输出设备检测STB信号:为0时则等待；为1时，则进行数据处理；待数据处理完毕后，通过ACK 端发出负脉冲将状态触发器清0。,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,36,【例6.3】ADC0809是常用的模拟接口芯片，它把模拟电压信号转换成 8位数字信号，供CPU读取。,向端口a写入要转换通道的地址。比如：要转换IN2通道的内容，就写入 02H，0809内部将锁存该地址；启动ADC0809转换；CPU将不断地读取端口b的EOC值，若该位为”0”，表示正在转换，继续查询端口b的EOC值；当该位是“1”时，表示转换已经完成了；这时CPU可以读取端口a，0809就可以把转换好的数据通过数据线送给CPU。,接口电路的工作过程：,a、b表示ADC0809的两个端口地址,Company Logo,37,若端口a的地址是1000H，b端口的地址是1001H，要读取IN2通道的内容，送入KIN2内存单元。以下为实现转换过程的程序：,MOV AL,02H MOV DX,1000H OUT DX,AL;写入通道的地址，并启动转换的过程L0:MOV DX,1001H IN AL,DX;读取状态端口 AND AL,01H（TEST AL，01H）JZ L0;如果EOC为0，则再次查询 MOV DX,1000H IN AL，DX;读取转换好的数据 MOV KIN2，AL,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,38,6.2.3 中断传送方式及其接口,CPU在某一时刻启动 一台外设，然后继续执行其主程序，外设完成数据传送的准备后，向CPU发出“中断请求”信号，在CPU允许响应中断的条件下，现行主程序被“中断”，转去执行与I/O接口进行数据传送的“中断服务程序”，传送完成后再返回被中断的主程序，从断点处继续执行。,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,39,中断方式下CPU执行程序流程：,CPU和外设大部分时间处在并行工作状态,只在CPU响应外设的中断申请后，进入数据传送的过程。中断传送方式提高了CPU的效率；,虽提高了CPU的效率，但仍然是通过CPU执行程序来实现数据传送。大量的数据在外设与内存间交换需大量的时间，当高速I/O设备时或成组数据交换时，显得速度太慢。,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,40,硬件电路和处理过程都比较复杂；硬件电路包括 数据端口、中断请求触发器、中断屏蔽触发器、中断判优电路、中断向量产生电路等。,中断输入方式硬件接口电路如图：,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,41,【例6.4】采用中断方式访问ADC0809的部分接口电路如图所示。,实现读取ADC0809数据过程和查询方式区别为：当转换完成后，EOC信号作为中断申请信号，当变成高电平送给CPU后，CPU响应中断后，在中断服务程序中，读取0809转换好的数据。,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,42,6.2.4 DMA传送方式,不通过CPU，存储器和I/O接口之间直接进行数据传送的数据传送方式。是一种不需要CPU干预也不需要软件介入的高速数据传送方式。,整个传送过程由称为DMA控制器（DMAC）的硬件完成而不需软件介入。,第六章：基本输入输出接口,Company Logo,43,DMA 传送方式过程：当外部设备需要进行数据传送时，它发出DMA请求信号，该信号首先传给DMA控制器，再由DMA控制器转发给CPU。如果条件允许，CPU会响应，发出 DMA响应信号，同时 CPU将让出总线控制权，由DMA控制器接管，DMA控制器发出存储器地址信号、存储器读/写控制信号、I/O接口读/写控制信号，完成一次数据传送。然后，DMA控制器再把总线控制权交还给CPU。,第六章：基本输入输出接口,Thank You!,
