第7章输入输出接口技术第1节内容课件.ppt

第7章输入输出接口,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,2,第7章 输入输出接口,主要内容：7.1 I/O接口基础和传送方式7.2 中断及中断方式7.3 定时器/计数器(8253/8254)7.4 并行口8255A7.5 A/D和D/A转换,学时分配：18学时,第一节 I/O接口基础和传送方式,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,4,7.1 I/O接口基础和传送方式,主要内容：7.1.1 I/O系统7.1.2 I/O接口概述7.1.3 I/O接口功能7.1.4 I/O接口典型结构7.1.5 端口及编址方式7.1.6 I/O指令7.1.7 CPU与外设之间的数据传输方式,学时分配：2学时,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,5,7.1.1输入输出系统,将CPU及主存以外的部分叫做输入输出系统,输入输出接口输入输出设备输入输出软件,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,6,为什么需要I/O接口（电路）？微机的外部设备多种多样工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差别很大它们不能与CPU直接相连必须经过中间电路再与系统相连这部分电路被称为I/O接口电路,多种外设,7.1.2 I/O接口概述,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,7,多种多样的外设,工作原理不同机械、电子、机电、电磁传送信息类型多样数字量、模拟量、开关量传送速度差别极大传送方式不尽相同串行、并行编码方式不同二进制、BCD码、ASCII码,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,8,I/O接口要解决的问题,速度匹配(Buffer)信号的驱动能力(电平转换器、驱动器)信号形式和电平的匹配(A/D、D/A)信息格式(字节流、块、数据包、帧)时序匹配(定时关系)总线隔离(三态门),2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,9,什么是I/O接口（电路）？I/O接口是位于系统与外设间、用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路。PC机系统板的可编程接口芯片、I/O总线槽的电路板（适配器）都是接口电路。,7.1.2 I/O接口概述,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,10,接口,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,11,什么是微机接口技术？处理微机系统与外设间联系的技术注意其软硬结合的特点根据应用系统的需要，使用和构造相应的接口电路，编制配套的接口程序，支持和连接有关的设备,7.1.2 I/O接口概述,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,12,对输入输出数据进行缓冲和锁存输出接口有锁存环节，输入接口有缓冲环节实际的电路常用：输出锁存缓冲环节，输入锁存缓冲环节对信号的形式和数据的格式进行变换微机直接处理：数字量、开关量、脉冲量对I/O端口进行寻址与CPU和I/O设备进行联络,7.1.3 I/O接口的主要功能,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,13,CPU,外设,7.1.4 I/O接口的典型结构,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,14,1.接口电路的内部结构2.接口电路的外部特性3.接口电路芯片的分类4.接口电路的可编程性,7.1.4 I/O接口的典型结构,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,15,1.接口电路的内部结构,CPU与外设主要有数据、状态和控制信息需要相互交换，于是从应用角度看内部：数据寄存器保存外设给CPU和CPU发往外设的数据 状态寄存器保存外设或接口电路的状态 控制寄存器保存CPU给外设或接口电路的命令,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,16,2.接口电路的外部特性,主要体现在引脚上，分成两侧信号面向CPU一侧的信号：用于与CPU连接主要是数据、地址和控制信号面向外设一侧的信号：用于与外设连接提供的信号五花八门功能定义、时序及有效电平等差异较大,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,17,3.接口电路芯片的分类,接口电路核心部分往往是一块或数块大规模集成电路芯片（接口芯片）：通用接口芯片支持通用的数据输入输出和控制的接口芯片面向外设的专用接口芯片针对某种外设设计、与该种外设接口面向微机系统的专用接口芯片与CPU和系统配套使用，以增强其总体功能,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,18,4.接口电路的可编程性,许多接口电路具有多种功能和工作方式，可以通过编程的方法选定其中一种；接口需要进行物理连接，还需要编写接口软件接口软件有两类：初始化程序段设定芯片工作方式等；数据交换程序段管理、控制、驱动外设，负责外设和系统间信息交换；,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,19,7.1.5 端口及编址方式,CPU与I/O接口通信是通过一组寄存器实现的 I/O信息的三种类型：数据、命令、状态。传送这三类信息的通道分别称为：数据端口(I、O)、命令端口(O)、状态端口(I)不同接口具有的端口数各不相同，计算机中为每一个端口都赋予一个唯一编号，称为端口地址(或端口号、接口地址)。,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,20,7.1.5 端口及编址方式,接口电路占用的I/O端口有两类编址方式I/O端口单独编址I/O地址空间独立于存储地址空间如8086/8088I/O端口与存储器统一编址它们共享一个地址空间如M6800,理解端口,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,21,1.端口（PORT）,端口泛指I/O地址，通常对应寄存器一个接口电路可以具有多个I/O端口，每个端口用来保存和交换不同的信息数据寄存器、状态寄存器和控制寄存器占有的I/O地址常依次被称为数据端口、状态端口和控制端口，用于保存数据、状态和控制信息输入、输出端口可以是同一个I/O地址,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,22,2.I/O端口独立编址,独立编址把所有I/O接口看作是一个独立于存储空间的I/O空间，在这个I/O空间内，每个端口都被分配一个地址与之对应。,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,23,2.I/O端口独立编址,优点：I/O端口的地址空间独立控制和地址译码电路相对简单专门的I/O指令使程序清晰易读缺点：I/O指令没有存储器指令丰富,80 x86采用I/O端口独立编址,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,24,特点：内存地址资源充分利用能够应用于端口的指令较少,内存地址,I/O地址,00000H,FFFFFH,FFFFH,0000H,2.I/O端口独立编址,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,25,统一编址：把外设端口视为一个存储器单元，与内存统一进行编址。各占据统一地址空间的不同部分。,0,地址空间(共1MB),内存地址(960KB),I/O地址(64KB),FFFFFH,EFFFFHF0000H,3.I/O端口与存储器统一编址,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,26,3.I/O端口与存储器统一编址,优点：不需要专门的I/O指令指令统一，I/O数据存取与存储器数据存取一样灵活缺点：I/O端口要占去部分存储器地址空间程序不易阅读（不易分清访存和访问外设）,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,27,8086的I/O端口编址,采用I/O独立编址方式(但地址线与存储器共用)；最小模式下由M/IO区分是访问内存还是访问端口；最大模式下用总线控制器信号来区分访问对象I/O操作只使用20位地址信号中的16位：A15A0,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,28,8086的I/O端口编址,可寻址的I/O端口数为64K(65536)个I/O地址范围为0FFFFHIBM PC只使用了1024个I/O地址(03FFH),2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,29,输入指令(IN)IN AL,i8;字节输入，直接寻址IN AL,DX;字节输入，间接寻址IN AX,i8;字输入，直接寻址IN AX,DX;字输入，间接寻址;操作数i8表示端口号,7.1.6 8088/8086的I/O指令,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,30,输出指令(OUT)OUT i8,AL;字节输出，直接寻址OUT DX,AL;字节输出，间接寻址OUT i8,AX;字输出，直接寻址OUT DX,AX;字输出，间接寻址,7.1.6 8088/8086的I/O指令,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,31,I/O寻址方式,8088/8086的端口有64K个，无需分段，设计有两种寻址方式直接寻址：只用于寻址00H FFH前256个端口，操作数i8表示端口号间接寻址：可用于寻址全部64K个端口，DX寄存器的值就是端口号对大于FFH的端口只能采用间接寻址方式,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,32,数据交换方式,如果输入输出一个字节，利用AL寄存器。如果输入输出一个字，利用AX寄存器。输入一个字，实际上是从连续两个端口输入两个字节，分别送AL（对应低地址端口）和AH（对应高地址端口）。输出一个字，实际上是将AL（对应低地址端口）和AH（对应高地址端口）两个字节的内容输出给连续两个端口。,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,33,IN指令(从20H端口输入一个字),；方法1：字量输入，直接寻址IN AX,20H；方法2：字量输入，间接寻址MOV DX,20HIN AX,DX,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,34,IN指令(从20H端口输入一个字),；方法3：字节输入，直接寻址IN AL,21HMOV AH,ALIN AL,20H；方法4：字节输入，间接寻址MOV DX,21HIN AL,DXMOV AH,ALDEX DXIN AL,DX,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,35,OUT指令(向300H端口输出一个字节),；唯一的方法：间接寻址，字节量输出MOV AL,bvar；bvar是字节变量MOV DX,300HOUT DX,AL,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,36,主机与外设之间数据传送的控制方式有以下四种：无条件传送查询式传送中断方式传送直接存储器存取(DMA,Direct Memory Access),程序控制方式,7.1.7 基本输入/输出方法,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,37,适用于总是处于准备好状态的外设以下外设可采用无条件传送方式：开关发光器件(如发光二极管、7段数码管、灯泡等)继电器步进电机优点：软件及接口硬件简单缺点：只适用于简单外设，适应范围较窄,一、无条件传送,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,38,无条件传送：输入实例,MOV DX,160HINAL,DX,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,39,无条件传送：输入输出接口,NEXT:MOV DX,8000H;DX指向数据端口IN AL,DX;从输入端口读开关状态NOT AL;反相OUT DX,AL;送输出端口显示CALL DELAY;调子程序延时JMP NEXT;重复,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,40,二、查询工作方式,适用场合：外设并不总是准备好对传送速率和效率要求不高对外设及接口的要求：外设应提供设备状态信息(CPU在与外设交换数据前必须询问外设状态“你准备好没有？”)接口应具备状态端口,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,41,查询工作方式,优点：软件比较简单缺点：CPU效率低，数据传送的实时性 差，速度较慢,单一外设时的工作流程,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,42,查询传送的两个环节,查询环节寻址状态口读取状态寄存器的标志位若不就绪就继续查询，直至就绪 传送环节寻址数据口是输入，通过输入指令从数据端口读入数据是输出，通过输出指令向数据端口输出数据,流程,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,43,查询输入接口,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,44,查询输入接口,MOV DX,8000H;DX指向状态端口status:IN AL,DX;读状态端口TEST AL,01H;测试标志位D0JZ status;D00 未就绪，继续查询INC DX;D01 就绪DX指向数据端口IN AL,DX;从数据端口输入数据,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,45,三、中断控制方式,特点：CPU无需循环查询外设状态，而是外部设备在需要进行数据传送时才中断CPU正在进行的工作，让CPU来为其服务。即CPU在没有外设请求时可以去做更重要的事情，有请求时才去传输数据，从而大大提高了CPU的利用率。优点：CPU效率高，实时性好，速度快。缺点：程序编制较为复杂。,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,46,中断传送是一种效率更高的程序传送方式；进行传送的中断服务程序是预先设计好的；中断请求是外设随机向CPU提出的；CPU对请求的检测是有规律的：一般是在每条指令的最后一个时钟周期采样中断请求输入引脚。中断还有着非常广泛的应用。,三、中断控制方式,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,47,CPU在执行程序中，被内部或外部的事件所打断，转去执行一段预先安排好的中断服务程序；服务结束后，又返回原来的断点，继续执行原来的程序,三、中断控制方式,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,48,中断输入接口,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,49,中断工作过程,中断请求,中断响应,关中断,断点保护,中断识别,现场保护,中断服务,恢复现场,开中断,中断返回,中断服务是进行数据交换的实质性环节,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,50,以上三种I/O方式的共性,均需CPU作为中介：外设 CPU 内存软件：外设与内存之间的数据传送是通过CPU 执行程序来完成的(PIO方式)；硬件：I/O接口和存储器的读写控制信号、地 址信号都是由CPU发出的。缺点：程序的执行速度限定了传送的最大速度（约为几十KB/秒）,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,51,四、DMA控制方式,特点：DMA传输:外设 内存外设直接与存储器进行数据交换，CPU不再担当数据传输的中介者；总线由DMA控制器（DMAC）进行控制（CPU要放弃总线控制权），内存/外设的地址和读写控制信号均由DMAC提供。,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,52,DMA控制方式,DMAC,外设接口,CPU,QRD,MEM,DACK,HOLD,HLDA,BUS,控制信号,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,53,DMA传送原理示意图,系统总线,CPU,DMAC,存储器,外设接口,AEN,IOW,MEMW,MEMR,IOR,MEMW,MEMR,IOW,IOR,AEN,HOLD,HLDA,DRQ,DACK,AEN,IOW,IOR,MEMW,MEMR,外设发出DMA请求 DMAC向CPU申请总线 CPU完成当前总线周期后响应，并释放总线控制权 DMAC得到总线控制权，并发出DMA响应信号 由DMAC发出各种控制信号，控制外设与存储器之 间的数据传送 数据传送完后，DMAC撤销HOLD信号 CPU释放HLDA信号，并重新控制总线,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,54,DMA控制方式,优点：数据传输由DMA硬件来控制，数据直接在内存和外设之间交换，可以达到很高的传输速率（可达几MB/秒）,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,55,传送方式的比较,无条件传送：慢速，外设需与CPU保持同步查询传送：简单实用，效率较低中断传送：外设主动，可与CPU并行工作，但每次传送需要大量额外时间开销 DMA传送：DMAC控制，外设直接和存储器进行数据传送，适合大量、快速数据传送,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,56,结束语,理解I/O接口的作用和一般结构；掌握I/O编址方式和I/O传送方式;理解中断的概念、分类,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,57,复习题题解(一)：,7.1相对于查询方式，中断方式有什么优点？中断方式可以使CPU与外设并行工作，所以比起查询方式，CPU的工作效率提高了。中断方式仍然要由CPU通过指令来传送数据，对高速设备来说速度太慢了。DMA方式是在DMA控制器控制下进行数据传送，速度上限主要取决于存储器的存取速度，因此中断方式传输速度不如DMA方式。,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,58,复习题题解(一)：,7.2 CPU与外设之间的数据传送方式有哪几种？无条件传送方式通常用在哪些场合？CPU和外设之间的数据传送方式通常有无条件方式、程序查询方式、中断方式和直接存储器存取（DMA）方式。无条件传送方式适合于外设总是处于准备好的情况。,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,59,复习题题解(一)：,7.3什么情况下两个端口可以用一个地址？一个端口作输入，一个端口作输出时，这两个端口可共用一个地址,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,60,复习题题解(一)：,7.4什么是I/O接口？在CPU和外部设备之间，需要一些进行数据转换、电平匹配和相互联络的功能电路，称为I/O接口，在接口电路中，一般包含功能不同的寄存器，称为端口寄存器。通过对这些寄存器的编程，可以改变接口的功能和输入/输出关系。,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,61,复习题题解(一)：,7.5说明I/O接口的基本功能。I/O接口的基本功能有：寻址功能、输入/输出功能、数据转换功能、联络功能、中断管理功能、复位功能、可编程功能、错误检测功能。,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,62,复习题题解(一)：,7.6简述CPU以中断方式如何与外设交换数据 当外设在某个时候准备就绪，向CPU提出中断申请，当CPU接收到此中断请求后，如果可以响应此中断，则会暂停现在正在进行的工作，响应此请求，得到此中断的中断类型码，根据此类型码，在中断向量表中取得中断服务程序的入口地址，执行此中断服务程序，进行数据的交换，完成后，返回到被打断的程序继续原来的工作。,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,63,复习题题解(一)：,7.7简述利用查询方式实现外设数据输入的过程 首先查询外部设备的状态，当外部设备没有准备好时，CPU继续等待并查询外设的状态，只有外部设备准备好时，才能交换信息。,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,64,复习题(一)：,7.8 IO接口的编址方式可分为、两种方式。7.9主机、外设不能并行工作的输入/输出方式是()。,2023年4月3日星期一,中北大学微机原理及接口技术,65,复习题题解(一)：,7.8 IO接口的编址方式可分为 IO接口单独编址、与存储器统一编址 两种方式。7.9主机、外设不能并行工作的输入/输出方式是(程序查询方式)。,