輸入輸出接口總論.ppt

第 7 章,第7章 基本輸入輸出接口,教學(xué)重點(diǎn) I/O接口電路的典型結(jié)構(gòu) 端口的地址譯碼方式 無條件傳送方式 查詢傳送方式 中斷工作過程,第7章：7.1 I/O接口概述,什么是I/O接口（電路）？ I/O接口是位于系統(tǒng)與外設(shè)之間、用來協(xié)助完成數(shù)據(jù)傳送和控制任務(wù)的中間連接電路 PC機(jī)系統(tǒng)板的可編程接口芯片、I/O總線槽的電路板（適配器）都是接口電路,第7章：7.1 I/O接口概述（續(xù)1）,為什么需要I/O接口（電路）？ 微機(jī)的外部設(shè)備多種多樣，各種外設(shè)工作原理、驅(qū)動方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差別很大 它們不能與CPU直接相連，必須經(jīng)過中間電路再與系統(tǒng)相連,第7章：7.1 I/O接口概述（續(xù)2）,什么是微機(jī)接口技術(shù)？ 處理微機(jī)系統(tǒng)與外設(shè)間聯(lián)系的技術(shù) 根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的需要，采用軟硬件結(jié)合的方式，使用和構(gòu)造相應(yīng)的接口電路，編制配套的接口程序，支持和連接相關(guān)設(shè)備,(1) I/O接口的主要功能,（1）根據(jù)CPU的命令，對外設(shè)進(jìn)行控制，如設(shè)置其工作方式、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?（2）充當(dāng)CPU與外設(shè)數(shù)據(jù)交換的中轉(zhuǎn)站與翻譯機(jī)：對輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖和鎖存、對信號的形式和數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行變換（如進(jìn)行串、并轉(zhuǎn)換，數(shù)模轉(zhuǎn)換等） （3）對I/O端口進(jìn)行尋址 （4）與CPU和I/O設(shè)備進(jìn)行聯(lián)絡(luò)：如采用何種傳送方式與CPU交換數(shù)據(jù)（中斷傳送等）,（2） I/O接口的典型結(jié)構(gòu),1. 接口電路的外部特性,接口電路的外部特性主要體現(xiàn)在引腳上，分成兩側(cè)信號 面向CPU一側(cè)的信號： 用于與CPU連接 主要是數(shù)據(jù)、地址和控制信號 面向外設(shè)一側(cè)的信號： 用于與外設(shè)連接 提供的信號五花八門 功能定義、時序及有效電平等差異較大,2. 接口電路芯片的分類,接口電路核心部分往往是一塊或數(shù)塊大規(guī)模集成電路芯片（接口芯片）： 通用接口芯片 支持通用的數(shù)據(jù)輸入輸出和控制的接口芯片 面向外設(shè)的專用接口芯片 針對某種外設(shè)設(shè)計(jì)、與該種外設(shè)接口，如顯卡、聲卡等 面向微機(jī)系統(tǒng)的智能接口 與CPU和系統(tǒng)配套使用，以增強(qiáng)其總體功能，如DMA控制器等,3. 接口電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu),CPU與外設(shè)主要有數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制信息需要相互交換，于是從應(yīng)用角度看，接口電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有： 數(shù)據(jù)寄存器（數(shù)據(jù)端口） 輸入數(shù)據(jù)寄存器：保存外設(shè)給CPU的數(shù)據(jù) 輸出數(shù)據(jù)寄存器：保存CPU給外設(shè)的數(shù)據(jù) 狀態(tài)寄存器（狀態(tài)端口） 保存外設(shè)或接口電路的狀態(tài) 控制寄存器（控制端口） 保存CPU給外設(shè)或接口電路的命令,7.2 I/O端口（PORT）,端口是接口電路中能被CPU訪問的單元，通常對應(yīng)接口電路的寄存器 一個接口電路可以具有多個I/O端口（寄存器），每個端口用來保存和交換不同的信息 數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器和控制寄存器占有的I/O地址常依次被稱為數(shù)據(jù)端口、狀態(tài)端口和控制端口，用于保存數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制信息 輸入、輸出端口可以是同一個I/O地址,第7章：7.1.1 I/O端口的編址,接口電路占用的I/O端口有兩類編排形式 I/O端口單獨(dú)編址方式 I/O地址空間獨(dú)立于存儲地址空間 如8086/8088 與存儲器對應(yīng)的統(tǒng)一編址方式 它們共享一個地址空間 如M6800,第7章： I/O端口單獨(dú)編址,優(yōu)點(diǎn)： I/O端口的地址空間獨(dú)立 控制和地址譯碼電路相對簡單 專門的I/O指令使程序清晰易讀 缺點(diǎn)： I/O指令沒有存儲器指令豐富,80x86采用I/O端口獨(dú)立編址, I/O端口與存儲器統(tǒng)一編址,優(yōu)點(diǎn)： 不需要專門的I/O指令 I/O數(shù)據(jù)存取與存儲器數(shù)據(jù)存取一樣靈活 缺點(diǎn)： I/O端口要占去部分存儲器地址空間 程序不易閱讀（不易區(qū)分本次操作是訪問內(nèi)存還訪問外設(shè)）,（2） 8088/8086的輸入輸出指令,輸入指令（IN：將外設(shè)數(shù)據(jù)傳送給CPU內(nèi)的AL/AX） IN AL,i8 ;字節(jié)輸入 （端口地址小于256時用此方式） IN AL,DX ;字節(jié)輸入 IN AX,i8 ;字輸入 IN AX,DX ;字輸入 輸出指令（OUT：將CPU內(nèi)的AL/AX數(shù)據(jù)傳送給外設(shè)） OUT i8,AL ;字節(jié)輸出 OUT DX,AL ;字節(jié)輸出 OUT i8,AX ;字輸出 OUT DX,AX ;字輸出,第7章：8088/8086的I/O端口,8086只能通過輸入輸出指令與外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；呈現(xiàn)給程序員的外設(shè)是端口（Port），即I/O地址 8086用于尋址外設(shè)端口的地址線為16條，端口最多為21665536個，端口號為0000H FFFFH 訪問端口時有兩種尋址方式 直接尋址：只用于尋址00H FFH前256個端口，操作數(shù)i8表示端口號 間接尋址：可用于尋址全部64K個端口，DX寄存器中的值就是端口號 對大于FFH（255）的端口必須采用間接尋址方式,IN、OUT指令實(shí)例,（1）從20H端口輸入一個字 ；方法1：直接尋址，字量輸入 in ax,20h ；方法2：間接尋址，字量輸入 mov dx,20h in ax,dx,如果輸入輸出一個字節(jié)，利用AL寄存器 如果輸入輸出一個字，利用AX寄存器,（2）向300H端口輸出一個字節(jié) ；唯一的方法：采用間接尋址 mov al,88H mov dx,300h out dx,al,7.2.3 I/O端口地址譯碼技術(shù),計(jì)算機(jī)中的數(shù)字電路基礎(chǔ),與、或、非門： 最基本的門電路，將它們適當(dāng)?shù)剡B接，可得到任意復(fù)雜的邏輯功能,與非、或非、異或門 與非門：是數(shù)字集成電路中構(gòu)成其它器件的基礎(chǔ) 異或門：是構(gòu)成運(yùn)算器的關(guān)鍵,計(jì)算機(jī)中的數(shù)字電路基礎(chǔ),譯碼器： n位輸入，在2n位輸出中只有對應(yīng)于輸入的一位才有有效輸出。其典型應(yīng)用如3-8譯碼器。,74LS138即三八譯碼器（三個輸入對應(yīng)8個輸出）。 當(dāng)E1=E2=0，E3=1時，對三個輸入A、B、C（C為高位）進(jìn)行譯碼。 當(dāng)CBA=000時，對應(yīng)輸出Y0=0，其它全為1； 當(dāng)CBA=001時，對應(yīng)輸出Y1=0，其它全為1 ,二、計(jì)算機(jī)中如何實(shí)現(xiàn)譯碼,CPU為了對某一外設(shè)的端口進(jìn)行讀寫操作，就需要在眾多的I/O端口中選定該端口地址。如何通過CPU發(fā)出的地址編碼來識別確認(rèn)這個端口，就是所謂的地址譯碼。譯碼是通過譯碼電路來實(shí)現(xiàn)的。,外設(shè),地址總線,最簡單的譯碼電路：門電路譯碼, ,根據(jù)本譯碼電路，只有當(dāng)?shù)刂肪€上的譯碼信號為 1001111000B，即278H 時，在輸出端才能得到有效的輸出（注：低電平有效），其它則不會！,在上面的基礎(chǔ)上，下圖進(jìn)一步說明了計(jì)算機(jī)是如何在眾多的設(shè)備中對外設(shè)進(jìn)行尋址的。,IN AL, 21H,OUT 43H, AL,返回,根據(jù)本譯碼電路，只有當(dāng)?shù)刂肪€上的譯碼信號為 1011100010B，即2E2H 時，在輸出端才能得到有效的輸出（注：低電平有效）。,計(jì)算機(jī)中如何實(shí)現(xiàn)譯碼：門電路譯碼,在本電路圖中，另外還多了兩根信號線：IOR和IOW。由此又得到兩個有效輸出，它表明當(dāng)我們在地址線上送出一個端口地址時，操作對象可以是兩個不同的寄存器！,在本譯碼電路圖中，地址線A9A5直接參加3-8譯碼器的譯碼，而A3A0作為芯片內(nèi)部寄存器的訪問地址。因此，對于本圖中所確定出的端口地址是一個地址范圍，如8259的地址范圍是02003FH，8237的地址范圍是0001FH等。,計(jì)算機(jī)中如何實(shí)現(xiàn)譯碼：3-8譯碼器的例子,在本譯碼電路圖中， 當(dāng)跳線開關(guān)置于J10時，所得的端口地址（范圍）為2F82FFH； 當(dāng)跳線開關(guān)置于J12時，所得的端口地址（范圍）為3F83FFH；,計(jì)算機(jī)中如何實(shí)現(xiàn)譯碼：跳線式可選端口譯碼,補(bǔ)充內(nèi)容：計(jì)算機(jī)中如何實(shí)現(xiàn)譯碼：開關(guān)式可選端口譯碼,在本譯碼電路圖中，地址線A9A3作為比較器的輸入端，而A2A0作為 三八譯碼器的輸入端。因此，對于本圖中所確定出的端口地址為0008H。當(dāng)改變DIP開關(guān)狀態(tài)，可得到不同的端口地址。,7.3 I/O數(shù)據(jù)傳送方式,7.3 數(shù)據(jù)傳送方式,程序控制下的數(shù)據(jù)傳送通過CPU執(zhí)行程序中的I/O指令來完成傳送，又分為： 無條件傳送 查詢傳送 中斷傳送 DMA傳送,7.3.1 無條件傳送方式及其接口,在CPU與一些設(shè)備交換數(shù)據(jù)時，可以認(rèn)為它們總是處于“就緒”狀態(tài)，隨時可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，這就是無條件傳送，或稱立即傳送、同步傳送 適用對象：適合于簡單設(shè)備，如LED數(shù)碼管、按鍵或讀取開關(guān)的狀態(tài)等 無條件傳送的接口和操作均十分簡單 采用此種傳送的前提：外設(shè)必須隨時就緒,無條件傳送：輸入實(shí)例,MOV DX, 160H IN AL, DX,74LS244,+5V,10K x 8,G1 G2,數(shù)據(jù)總線,CS,RD,160H,無條件傳送：輸出實(shí)例,MOV DX, 160H MOV AL, BX OUT DX, AL,160H,無條件傳送：輸入輸出接口,next: mov dx,8000h ；DX指向數(shù)據(jù)端口 in al,dx ；從輸入端口讀開關(guān)狀態(tài) not al ；反相 out dx,al ；送輸出端口顯示 call delay ；調(diào)子程序延時 jmp next ；重復(fù),7.3.2 查詢傳送方式及其接口,CPU需要先了解（查詢）外設(shè)的工作狀態(tài)，然后在外設(shè)可以交換信息的情況下（就緒）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入或輸出 對多個外設(shè)的情況，則CPU按一定順序依次查詢（輪詢）。先查詢的外設(shè)將優(yōu)先進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 查詢傳送的特點(diǎn)是：工作可靠，適用面寬，但傳送效率低,第7章：查詢傳送的兩個環(huán)節(jié), 查詢環(huán)節(jié) 讀取狀態(tài)寄存器的標(biāo)志位，若不就緒就繼續(xù)查詢，直至就緒 傳送環(huán)節(jié) 若為輸入，使用in指令從數(shù)據(jù)端口讀入數(shù)據(jù) 若為輸出，使用out指令向數(shù)據(jù)端口輸出數(shù)據(jù),流程,查詢傳送流程,返回,查詢輸入接口,mov dx,8000h ；DX指向狀態(tài)端口 status: in al,dx ；讀狀態(tài)端口 test al,01h ；測試標(biāo)志位D0 jz status ；D00，未就緒，繼續(xù)查詢 inc dx ；D01，就緒，DX指向數(shù)據(jù)端口 in al,dx ；從數(shù)據(jù)端口輸入數(shù)據(jù),選通信號,第7章：7.3.2 查詢輸出接口,mov dx,8000h ；DX指向狀態(tài)端口 status: in al,dx ；讀取狀態(tài)端口的狀態(tài)數(shù)據(jù) test al,80h ；測試標(biāo)志位D7 jnz status ；D71，未就緒，繼續(xù)查詢 inc dx ；D70，就緒，DX指向數(shù)據(jù)端口 mov al,buf ；變量buf送AL out dx,al ；將數(shù)據(jù)輸出給數(shù)據(jù)端口,7.3.3 中斷傳送方式,CPU在執(zhí)行程序中，被內(nèi)部或外部的事件所打斷，轉(zhuǎn)去執(zhí)行一段預(yù)先安排好的中斷服務(wù)程序；服務(wù)結(jié)束后，又返回原來的斷點(diǎn)，繼續(xù)執(zhí)行原來的程序,流程,中斷傳送流程,返回,中斷傳送與接口,中斷傳送是一種效率更高的程序傳送方式 中斷請求是外設(shè)隨機(jī)向CPU提出的，而進(jìn)行傳送的中斷服務(wù)程序是預(yù)先設(shè)計(jì)好的 CPU對請求的檢測是有規(guī)律的：一般是在每條指令的最后一個時鐘周期采樣中斷請求輸入引腳 中斷有著非常廣泛的應(yīng)用，正因?yàn)槲C(jī)采用了中斷傳送方式，因此才能有今天的成就,7.3.4 DMA傳送方式,直接存儲器存?。―MA）傳送請求由外設(shè)向DMA控制器（DMAC）提出，后者向CPU申請總線，最后DMAC利用系統(tǒng)總線來完成外設(shè)和存儲器間的數(shù)據(jù)傳送 希望克服程序控制傳送的不足： 外設(shè)CPU存儲器 直接存儲器存取DMA： 外設(shè)存儲器 CPU釋放總線，由DMA控制器管理,DMA傳送流程,返回,第7章：DMA傳送的工作過程, DMA向CPU提出DMA請求； (2)如果允許，CPU對DMA控制器進(jìn)行初始化設(shè)置 (3) 外設(shè)、DMAC和CPU三者通過應(yīng)答信號建立聯(lián)系：CPU將總線交給DMAC控制 (4) DMA傳送開始 DMA讀存儲器：存儲器 外設(shè) DMA寫存儲器：存儲器 外設(shè) (5) 自動增減地址和計(jì)數(shù)，判斷傳送完成否 (6)DMA控制器釋放系統(tǒng)總線,第7章：DMA傳送流程,流程,第7章：傳送方式的比較,無條件傳送：慢速外設(shè)需與CPU保持同步 查詢傳送： 簡單實(shí)用，效率較低 中斷傳送：外設(shè)主動，可與CPU并行工作，但每次傳送需要大量額外時間開銷 DMA傳送：DMAC控制，外設(shè)直接和存儲器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，適合大量、快速數(shù)據(jù)傳送,第7章：教學(xué)要求,1. 了解I/O接口電路的主要功能、內(nèi)部和外部特點(diǎn)、端口編址方法、I/O地址譯碼特點(diǎn) 2. 掌握輸入輸出指令 3. 掌握無條件、查詢傳送方式 4. 理解中斷、中斷源、中斷工作過程、中斷源識別、優(yōu)先權(quán)排隊(duì)和中斷嵌套 5.