基本输入输出接口.ppt

第 8 章,第8章 基本输入输出接口,教学重点 I/O接口电路的典型结构 无条件传送方式 查询传送方式,8.1 I/O接口概述,1、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,8.1 I/O接口概述（续1）,2、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,3、I/O接口的主要功能,解决CPU和外设之间速度不匹配的问题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注：外设经接口与总线连接，必遵循“输入要缓冲、输出要锁存”的原则 实现电平转换(3)转换信息格式 模数与数模转换 开关量转换 并行串行转换,（4）实现CPU与外设之间同步工作 一般采用时序控制电路使CPU和外设同步工作。接口电路接收CPU送来的命令或控制信号、定时信号，实施对外设的控制与管理，外设的工作状态和应答信号也通过接口及时返回给CPU，以握手联络信号来保证主机和外部IO操作实现同步。（5）实现CPU对端口的选择 一个外部设备接口中通常包含若干个端口，在同一时刻，CPU只能与某一个端口交换信息。必须具有译码电路进行译码选址。,I/O接口的典型结构,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,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,理解端口,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,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,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,8.2 CPU与端口之间的接口技术,一、I/O端口的编址方法 1、I/O端口的统一编址方式 2、I/O端口的独立编址方式二、I/O端口地址译码三、8086 CPU与端口之间的硬件接口,一、I/O端口的编址,接口电路占用的I/O端口有两类编排形式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M6800,1、I/O端口单独编址,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,2、I/O端口与存储器统一编址,优点：不需要专门的I/O指令；I/O数据存取与存储器数据存取一样灵活；I/O地址空间可大可小；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）；,3、8088/8086的输入输出指令,输入指令IN AL,i8/DX;字节输入IN AX,i8/DX;字输入输出指令OUT i8/DX,AL;字节输出OUT i8/DX，AX;字输出,功能演示,功能演示,二、I/O地址的译码,I/O地址的译码方法与存储器地址的译码方法一样，但有它的特点：分为两个部分：接口的选择和端口的选择。部分译码时，通常是中间地址线不连接部分译码也有最低地址线不连接的情况每个接口电路通常只占用几个I/O地址，这时可以利用基本逻辑门电路进行地址译码除采用译码器、门电路进行译码外，I/O地址译码还经常采用可编程逻辑器件PLD为了给系统一定的选择余地，有些接口电路利用比较器、开关或跨接器等进行多组I/O地址的译码,给几个译码实例,逻辑门电路进行I/O地址译码,CS,3E7H,74LS138进行I/O地址译码,三、8086 CPU与端口之间的硬件接口,1）I/O端口仅使用偶地址的接口技术。此时I/O接口电路的8位数据线与CPU数据总线的低8位相连，见图8-6。2）仅使用8086CPU奇地址的接口技术。3）I/O端口使用连续的地址，必须附加8位数据至16位数据的转换逻辑电路，见图8-7。,图8-6仅使用8086CPU偶地址的接口,图8-7 使用8086CPU连续地址的接口,8.3 CPU与端口之间的数据传送方式,程序控制传送方式通过CPU执行程序中的I/O指令来完成传送，又分为：无条件传送、查询传送中断技术传送方式外设主动，可与CPU并行工作，但每次传送需要大量额外时间开销;直接存储器存取（DMA）方式传送请求由外设向DMA控制器（DMAC）提出，后者向CPU申请总线，最后DMAC利用系统总线来完成外设和存储器间的数据传送,一、程序控制传送方式,1.无条件传送方式（又称同步传送方式）无条件传送方式是假设输入接口数据已经准备好，或者输出设备是空闲的，此时CPU无需查询状态，可直接用IN和OUT指令完成与接口之间的数据传送。实质：用程序来定时同步传送数据特点：无条件传送是最简便的传送方式，它所需的硬件和软件都较少。适用条件：I/O设备定时为已知的、或在固定时间内要执行I/O操作的外设。,传送流程,接口实例,无条件传送：输入示例,MOV DX,160HINAL,DX,无条件传送：输入实例,MOV DX,160HINT AL,DX,无条件传送：输出示例,MOV DX,160HMOV AL,BXOUT DX,AL,无条件传送：输出实例,MOV DX,160HMOV AL,BXOUT DX,AL,2、条件传送方式（查询式传送）一个数据传送的过程软件必须由以下三个环节组成：、CPU从状态端口中读取一个状态字。、CPU检测状态字的某对应位是否满足“就绪”的条件，如果不满足，则回到前一步重新读取状态字。、如果状态字表明该外设已处于“就绪”状态，则进行数据的传送。,（1）查询方式下的输入接口,2）输入接口软件,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,例8-3设某接口的状态端口地址为STATE，状态位从D7位输入，数据端口的地址为INPORT，输入数据的总字节数为INCOUNT，试编制查询式输入数据的程序段。解：设输入数据存放在内存单元的首地址为BUFF MOV SI，BUFF MOV CX，INCOUNT INPUT：IN AL，STATE TEST AL，80H JZ INPUT IN AL，INPORT MOV SI，AL INC SI LOOP INPUT,（2）查询方式下的输出接口 输出接口硬件,2）输出接口软件,例8-4 设某接口的状态端口地址为STATE，状态位从D7位输入，数据端口的地址为OUTPORT，输出数据的总字节数为OUTCOUNT，试编制查询式输出数据的程序段。解：设输出数据段在内存单元的首地址为BUFF MOV SI，BUFF MOV CX，OUTCOUNTOUTPUT：IN AL，STATE TEST AL，80H JNZ OUTPUT MOV AL，SI OUT OUTPORT，AL INC SI LOOP OUTPUT,二 中断传送方式,传送流程,1）中断方式：当外设作好传送准备后，主动向CPU请求中断，CPU响应中断后在中断处理程序中与外设交换数据。2）优点：（1）提高了CPU的利用率（2）外设处于主动地位，实时性好。缺点：（1）为能接收中断的请求信号，CPU内部要有一些线路来控制（2）每响应中断一次，都要保护现场、恢复现场，浪费了不必要的CPU时间3）适于传送少量的输入输出数据。,注意：,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,三.DMA传送方式,希望克服程序控制传送的不足：外设CPU存储器外设CPU存储器直接存储器存取DMA：外设存储器外设存储器CPU释放总线，由DMA控制器管理,DMA传送的工作过程,CPU对DMA控制器进行初始化设置 外设、DMAC和CPU三者通过应答信号建立联系：CPU将总线交给DMAC控制 DMA传送DMA读存储器：存储器 外设DMA写存储器：存储器 外设 自动增减地址和计数，判断传送完成否,传送流程,四、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,第6章教学要求（续）,1.了解I/O接口电路的主要功能、内部和外部特点、端口编址方法2.掌握输入输出指令3.掌握无条件、查询传送方式4.理解中断技术传送方式5.理解DMA传送的工作过程习题8（第299页）2、6,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、脉冲量 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,锁存器74LS373,输入接口的缓冲环节,译码器74LS138,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,一定要理解,IN AL,21H,OUT 43H,AL,无条件传送流程,就绪（Ready）,在输入场合“就绪”说明输入接口已准备好送往CPU的数据，正等着CPU来读取该状态也可用接口中数据缓冲器已“满”来描述 在输出场合“就绪”说明输出接口已做好准备，等待接收CPU要输出的数据该状态也可用接口数据缓冲器已“空”、或者用接口（外设）“闲”或不“忙（Busy）”来描述,就绪：满，空、闲、不忙,查询传送流程,中断传送流程,DMA传送流程,