《输入输出接口 》PPT课件.ppt

第 7 章 输入/输出接口,本章主要内容,7.1 概述 7.2 可编程DMA控制器8237A,（1）开关量：可以用两个最基本的逻辑符合“0”和“1”表示。可用一位二进制数就可表示。,7.1.1 I/O接口的信号,7.1 概述,（2）数字量：二进制形式的数据或是已经过编码的二进制形式的数据（字节、ASCII码等）。最小单位为“位”（bit），8位称为一个字节（BYTE）。,（3）脉冲量：脉冲信号是以脉冲形式表示的一种信号。如由“0”变到“1”，称为信号发生正跳变（或信号的上升沿）。,（4）模拟量：用模拟电压或模拟电流幅值大小表示的物理量（电压、电流、压力、温度和流量等）。模拟量信号不能直接输入微机，必须经过模拟/数字转换器（A/D），把模拟量转换成数字量，才能输入微机。,1.I/O接口的功能,7.1.2 I/O接口,7.1 概述,(1)信号的形式变换接口可将I/O设备非数字信号变换成微机中统一的二进制数字信号。,(2)电平转换和放大微机内部使用TTL电平，只有05V的变化范围。而I/O设备的信号电平可能不一样，则需要进行电平转换。例如异步串行通信设备采用的RS232C电平是15V+15V的范围。,(3)锁存及缓冲 I/O接口输出时需要锁存，输入时需要缓冲。,7.1.2 I/O接口,(4)I/O定向微机每一次I/O传送都用地址指明具体的设备，接口电路利用地址进行译码，从众多设备中选出I/O对象。,(5)并行及串行I/O的转换如果接口和I/O设备之间也以并行方式传送，则称为并行I/O。并行I/O接口和I/O设备之间的通道是8位或更宽。因此，并行I/O接口的硬件开销大，但传送速度高，适用于较近距离。微机通过串行接口和I/O设备实现信息的传递，称为串行I/O。显然串行设备之间只需单个通道即可实现传输，因此硬件开销小，但是由于信号的各位分先后传送，速度较低。,2.I/O接口传送的信息分类,7.1.2 I/O接口,(1)数据信息 I/O接口传递的内容以数字信号形式表示的数值或字符，称为数据信息。,(2)状态信息 微机在于I/O设备进行数据传送时，往往需要了解I/O设备的状态。对于每一种二值状态都可以用一位二进制数表示。,(3)控制信息 控制信息是在输出时微机发送给I/O设备的命令。,(1)端口 是构成I/O接口的基本单元，端口有自己的地址（称为端口地址），CPU用地址对每个端口进行读写操作。端口有宽度，一般以字节为单位，也可以用两个地址相邻的8位端口构成一个16位宽度的端口，其中较低的一个地址可作为16位端口的共同地址在16位I/O指令中使用。16位I/O指令的执行，仍可理解为两个8位的操作来理解，较低地址端口存放较低字节内容、较高地址端口存放较高字节内容。对于I/O驱动程序而言，CPU执行I/O指令仅仅作用于端口而已。,7.1.2 I/O接口,3.I/O接口的构成,(2)端口的分类端口根据传递的信息内容，可分为数据端口、状态端口及控制端口。,7.1.2 I/O接口,数据端口是CPU与I/O设备传送数据信息的中转站。从CPU输出的数据到数据端口锁存，I/O设备再从数据端口获得数据；输入时，I/O设备先将数据送入数据端口，CPU读该数据端口时，三态门打开，接收I/O设备的数据。数据端口可能单向输出、单向输入或是双向的。双向数据端口往往同时具有锁存及三态缓冲功能。,状态端口：CPU通过读状态端口了解I/O设备的工作状态，这些状态决定是否进行数据传送。状态端口是只读端口，一般包含三态缓冲器。,控制端口：对I/O设备的控制命令通过写控制端口发出，写到控制端口一个字节中的每一位都可以表示一个开关控制信号。,7.1.2 I/O接口,执行输入指令时，无论对数据端口还是状态端口，读入的内容都送到数据总线DB上，进而到达CPU；执行输出指令时，无论是对数据端口还是控制端口，写出的内容也都经过数据总线DB输出。,4.I/O接口的分类,不可编程接口：通常用三态门缓冲器（如：74LS244/5）做输入接口，用锁存器（74LS273和74LS373）做输出接口。,可编程接口：是指接口的功能和工作方式由程序设定。如：8255A、8155A、8253A、8237A、INS8250和8251等,7.1.2 I/O接口,I/O接口与I/O端口之间的关系：,I/O端口（I/O口）：是指I/O接口中带有端口地址的寄存器或缓冲器,I/O接口：是指CPU和外设间的I/O接口芯片,二者之间关系：CPU通过端口地址对端口中信息进行读写，但不能直接通过接口读写信息，需要借助于接口中的端口地址 一个外设通常需要一个I/O接口，但一个I/O接口可以有多个I/O端口,7.1.3 I/O编址,7.1 概述,I/O编址实际上是给所有I/O接口中的端口编址，以便CPU通过端口地址和外设交换信息,是指外设端口地址和存储单元地址分别编址，互为独立,1.I/O端口的单独编址,7.1.3 I/O编址,如：,存储器地址范围：00000H FFFFFHI/O端口地址范围：0000H FFFFH,7.1.3 I/O编址,注意：区分16位地址总线上地址究竟是送给存储器还是外设端口，依据是I/O指令产生的M/IO信号,特点：外设端口单独编址不占用存储器地址 需要CPU指令集中有专用的I/O指令 需要增加相应的控制线,2.外设端口和存储器统一编址,是把外设端口当作存储器单元对待，也就是让外设端口地址占用部分存储器单元地址,7.1.3 I/O编址,如：,存储器地址范围：0000H 1FFFHI/O端口地址范围：2000H 3FFFH,7.1.3 I/O编址,特点：不需要专门访问I/O端口的指令，大大增强了CPU对外设端口信息的处理能力 外设端口地址安排灵活，数量不受限制 外设端口占用了部分存储器地址，译码电路较复杂,7.1.4 I/O接口的控制方式,7.1 概述,1.程序控制方式,7.1.4 I/O接口的控制方式,是指在程序控制下进行信息传送。分为无条件传送方式和有条件传送方式。,（1）无条件传送方式当外设已准备就绪，那就不必查询外设的状态而进行信息传输，称为无条件传送。,优点：使用I/O指令便可实现输入/输出操作，使得程序简单，节省硬件和软件,缺点：必须已知且确信外设已准备好的情况下才能使用，否则就会出错,7.1.4 I/O接口的控制方式,如：INAL,PORT PORT为三态缓冲器（74LS244）的端口地址,（2）有条件传送方式CPU通过执行程序不断读取并测试外部设备状态，如果输入外部设备处于已准备好状态或输出外部设备为空闲状态时，则CPU执行传送信息指令。条件传送方式是CPU在不断调查外部设备的当前状态后才进行信息传送，所以也称为“查询式传送”。,7.1.4 I/O接口的控制方式,优点：通用性好，硬件接线和查询程序十分简单,缺点：CPU利用率极低,图7-2 查询式输入接口电路,7.1.4 I/O接口的控制方式,图7-3 查询式输出接口电路,7.1.4 I/O接口的控制方式,2.中断控制方式,7.1.4 I/O接口的控制方式,一般用于低速外部设备与CPU之间的信息交换。当外部设备需要与CPU进行数据交换时，由接口部件的CPU发出一个中断请求信号，CPU响应这一中断请求，便可在中断服务程序中完成一个字节或一个字的信息交换。,优点：大大提高CPU的工作效率,3.DMA控制方式,是一种块传送数据的方式。当某一外部设备需要输入/输出一批数据时，向DMA控制器发出请求，DMA控制器接收到这一请求后，向CPU发出总线请求；若CPU响应DMA的请求，CPU把总线使用权赋给DMA控制器，数据传送不通过CPU，可直接在DMA控制器操纵下进行。当这批数据传送完毕后，DMA控制器再向CPU发出“结束中断请求”，CPU响应这一中断请求，即可收回总线使用权。,7.1.4 I/O接口的控制方式,Intel公司生产与86系列配套的输入/输出处理机（IOP）8089。系统中设置了IOP后，86系列CPU必须工作在最大工作模式。当CPU需要进行输入或输出操作时，只需在存储器中建立一个规定格式的信息块，设置好需要执行的操作和有关参数，然后把这些参数送入8089，IOP即会执行输入/输出操作。,7.1.4 I/O接口的控制方式,4.输入/输出处理机方式,DMA是指外部设备直接与微机中的存储器进行传送的I/O方式。DMA方式下传送数据不需要CPU执行指令，也不需要经过CPU内部的寄存器，而是利用系统的数据总线，由DMA控制器直接在外设与存储器之间进行读/写操作，可以实现高速传输，因而被广泛用于高速I/O设备接口。,7.2.1 DMA控制器的基本功能,7.2 可编程DMA控制器8237A,可编程的DMA控制器应具有以下功能：（1）可编程设定DMA的传输模式、所访问的内存地址及其字节数。（2）对I/O设备的DMA请求可编程地进行屏蔽或允许，当有多个I/O设备同时请求时，还要进行优先级排队。（3）向CPU转达DMA请求，提出总线请求信号。（4）接收CPU的总线响应信号，并接管总线控制权。（5）向被响应的I/O设备转达DMA允许信号，接着在DMA控制器的管理下，实现该I/O设备和由地址指定的存储器之间的数据直接传送。（6）在传送过程中进行存储器的地址修改和字节计数。,7.2.1 DMA控制器的基本功能,1.主要功能,7.2.2 8237A的内部结构,7.2 可编程DMA控制器8237A,（1）8237A中有4个独立的DMA通道，但需要与一片8位地址锁存器（如8282）配合使用。（2）每一个通道的DMA请求都可以分别被允许和禁止。（3）每一个通道的DMA请求有不同的优先权，优先权可以是固定的，也可以是旋转的。（4）每一个通道一次传输数据的最大长度可达64KB。,2.8237A的内部结构,7.2.2 8237A的内部结构,8237A可编程DMA控制器由数据总线缓冲存储器、读写逻辑部件、控制逻辑、优先选择逻辑及四个DMA通道组成,7.2.2 8237A的内部结构,7.2.2 8237A的内部结构,7.2.3 8237A的工作时序,7.2 可编程DMA控制器8237A,7.2.4 8237A的工作方式,7.2 可编程DMA控制器8237A,1.单字节传送方式,2.数据块传送方式,7.2.4 8237A的工作方式,3.请求传送方式,4.级联传送方式,7.2.4 8237A的工作方式,8237A内部寄存器分为两类：通道寄存器和控制寄存器及状态寄存器,7.2.5 8237A的寄存器组,7.2 可编程DMA控制器8237A,每个通道包括：基地址寄存器、当前地址寄存器、基字节计数器、当前字节计数器和工作方式寄存器，这些寄存器的内容在初始化编程时写入，其寻址见表7-1,7.2.5 8237A的寄存器组,控制寄存器和状态寄存器类的四个通道公用的，其内容在DMA传送过程中可根据需要随时修改（通过输出指令），其寻址见表7-2。,7.2.5 8237A的寄存器组,1.当前地址寄存器,7.2.5 8237A的寄存器组,16位的寄存器，用来保存DMA传送当前数据的地址，每次传送后，这个寄存器的值自动加1或减1。该寄存器由CPU来写入或读出。,2.当前字节计数器,16位的寄存器，其低14位（C13C0）用来保存DMA传送的剩余字节数，每次传送后，这个计数器的值减1，若其值减为零时，TC将产生。高两位（C15，C14）用来定义所选通道的操作方式如表7-1所示。这个计数器由CPU来写入或读出。,7.2.5 8237A的寄存器组,3.基地址寄存器,16位只写寄存器，用来存放与当前地址寄存器相同的初始值。初始化时，CPU将起始地址同时写入基地址寄存器和当前地址寄存器，但基地址寄存器不会自动修改，且不能读出。,4.基字节计数器,16位只写寄存器，用来存放与当前字节计数器相同的初始值。初始化时，CPU将传送数据的字节数同时写入基字节计数器和当前字节计数器，但基字节计数器不会自动修改，且不能读出。,7.2.5 8237A的寄存器组,5.工作方式寄存器,16位只写寄存器，用来存放相应通道的工作方式控制字，如图所示。,7.2.5 8237A的寄存器组,6.控制寄存器,16位只写寄存器，用来存放8237A的控制字，其格式如图所示。,7.2.5 8237A的寄存器组,优先权分配方案有两种：固定优先权和旋转优先权。固定优先权方式下，其优先权是固定的，即通道0的优先权最高，通道1其次，通道2再次，通道3最低；旋转优先权下，将刚结束操作的通道具有最低优先级，把最高优先级赋给原来比他低一级的通道。其他通道按旋转方式类推如表7-3所示。,7.2.5 8237A的寄存器组,7.请求寄存器,8位只写寄存器，8237A除了可以利用硬件DREQi信号发出DMA请求外，也可以通过软件发出DMA请求。软件发出DMA请求是在8237A工作于数据块传送方式下通过设置请求寄存器实现的。如图所示。,每个通道外设通过DREQi信号发出DMA请求，通过屏蔽寄存器的屏蔽位置位，可以单独地屏蔽或允许该通道的DMA请求。屏蔽位可以用两种命令字置位或复位，即单通道屏蔽字和四通道屏蔽字分别如图(a)和(b)，都是8位的寄存器。,7.2.5 8237A的寄存器组,8.屏蔽寄存器,8位只读寄存器，用来存放各个通道的工作状态和请求标志，如图所示。,7.2.5 8237A的寄存器组,9.状态寄存器,8位只读寄存器。在存储器到存储器的传送方式下，暂存寄存器保存从源数据区读出的数据，又由它写入目的数据区中。传送结束时，暂存寄存器保留传送的最后一个字节，可由CPU读出。复位时，该寄存器的内容被清0。,7.2.5 8237A的寄存器组,10.暂存寄存器,软件命令不需要通过数据总线写入控制字，而由8237A直接对地址和控制信号进行译码。8237A在编程状态有两种软件命令：清除高/低触发器命令和主清除命令。,11.软件命令,（1）清除高/低触发器命令该触发器命令用以控制写入或读出8237A中的16位寄存器的高字节还是低字节，如表7-1中F/L。若F/L=0，则操作的为低字节；若F/L=1，则操作的为高字节。复位时，该触发器被清零，每当对16位寄存器进行一次操作，则此触发器改变状态。,7.2.5 8237A的寄存器组,（2）主清除命令这个命令不需要通过写入控制寄存器来执行，只需要对特定的DMA端口执行一次写操作即可完成。该命令与RESET信号有相同的功能，即它使控制、状态、请求、暂存寄存器以及内部的高/低触发器清零；使屏蔽寄存器全置为“1”。,1.8237A的初始化编程,7.2.6 8237A的编程及应用,7.2 可编程DMA控制器8237A,8237A初始化编程的步骤如下：（1）输出主清除命令：向DMA+0DH端口执行一次写操作，复位内部寄存器。（2）写入基和当前地址寄存器：将传送数据块的首地址（末地址）按照先低位后高位的顺序写入基地址和当前地址寄存器。,（3）写入基和当前字节计数器：将传送数据块的字节数N（写入的值为N-1，因为字节计数器从0减1到FFFFH时，才终止计数。）按照先低位后高位的顺序写入基字节和当前字节计数器。（4）写入工作方式寄存器：设置工作方式和操作类型。（5）写入屏蔽寄存器：开放指定DMA通道的要求。（6）写入控制寄存器：设置DREQ和 位，启动8237A工作。（7）写入请求寄存器：只有用软件请求DMA传送时，才需要设定该寄存器。,7.2.6 8237A的编程及应用,例7-1 某8086微机系统中，利用8237A DMA控制器的通道0为某台外设与存储器之间构成直接数据块传送通道的系统配置结构如图所示。传送的数据块的长度为16KB，传送至从6000H开始的存储器中（增量传送），传送完不自动初始化，外设的DREQ信号高电平有效，信号低电平有效；请编程实现。,7.2.6 8237A的编程及应用,2.应用,分析：（1）寄存器的端口地址地址的低4位A3A0用以区分8237A的内部寄存器，高4位地址A7A4经译码后，连片选端，假设地址的高4位A7A4为1001，则相应地寄存器的8位地址随之确定。,7.2.6 8237A的编程及应用,（2）确定控制字工作方式字：10000100B=84H屏蔽字：00000000B=00H控制字：01000000B=40H,7.2.6 8237A的编程及应用,（3）初始化程序确定控制字.MODEL SMALL.STACK 100.DATAAddClearDB9DHAdd8237C0DB90HAdd8237B0DB91HAdd8259CRDB98HAdd8259SRDB9AHAdd8253WRDB9BH,.CODEBUSPRGPROCFARPUSHDSMOVAX,0PUSHAXMOVAX,DATAMOVDS,AX OUTAddClear,AL；输出主清除命令 MOVAL,00H OUTAdd8237C0,AL；输出基/当前地址的低8位 MOVAL,60H OUTAdd8237C0,AL；输出基/当前地址的高8位,7.2.6 8237A的编程及应用,7.2.6 8237A的编程及应用,MOVAL,00HOUTAdd8237B0,ALMOVAL,60HOUTAdd8237B0,AL；输出基和当前字节数赋值MOV AL,84HOUT Add8253WR,AL；设定工作方式MOV AL,00HOUT Add8259SR,AL；设定屏蔽MOV AL,40HOUT Add8259CR,AL；设定命令字BUSPRGENDPEND,