微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用課件第六章輸入和輸出第一講.ppt

第六章 輸入/輸出與中斷,1,6. 1 I/O接口概述 6. 2 I/O端口地址譯碼 6.3 基本的并行輸入/輸出接口 6.4 程序控制I/O方式 6.5 中斷方式 6.6 直接存儲(chǔ)器存取(DMA)方式 習(xí)題,6.1 輸入/輸出接口概述,接口解決微處理器與外設(shè)之間的差異 外設(shè)種類(lèi)多 信號(hào)類(lèi)型有機(jī)械的、物理的、電信號(hào)等 信號(hào)形式有脈沖、模擬量或數(shù)字量 數(shù)據(jù)傳輸率不同 數(shù)據(jù)格式不同 數(shù)據(jù)傳輸方式不同，有并行、串行之分 CPU與外設(shè)都是面向接口而非直接聯(lián)絡(luò),2,第6章 輸入/輸出技術(shù),圖6.1 典型I/O接口模型,3,數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息及控制信息,數(shù)據(jù)信息,數(shù)據(jù)信息：要交換的數(shù)據(jù)本身。 數(shù)字量：通常以8位或16位的二進(jìn)制數(shù)以及ASCII碼的形式傳輸，主要指由鍵盤(pán)、磁帶機(jī)、磁盤(pán)等輸入的信息或主機(jī)送給打印機(jī)、顯示器、繪圖儀等的信息 開(kāi)關(guān)量：用“0”和“1”來(lái)表示兩種狀態(tài)，如開(kāi)關(guān)的通/斷 模擬量：模擬的電壓、電流或者非電量。對(duì)模擬量輸入而言，需先經(jīng)過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量；如果需要輸出模擬控制量的話，就要進(jìn)行上述過(guò)程的逆轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)傳輸方向：CPU I/O接口外設(shè),4,控制信息,控制信息：控制外設(shè)工作的命令，CPU通過(guò)接口發(fā)出，如A/D轉(zhuǎn)換器的啟/停信號(hào) 數(shù)據(jù)傳輸方向：CPUI/O接口處設(shè),5,狀態(tài)信息,狀態(tài)信息：表征外設(shè)工作狀態(tài)的信息 對(duì)輸入接口, CPU是否準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，READY” 準(zhǔn)備好嗎? 對(duì)輸出接口, 外設(shè)是否準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，“BUSY” 外設(shè)忙嗎? 數(shù)據(jù)傳輸方向：CPUI/O接口外設(shè),6,I/O端口,傳送這三種信息的接口電路中的寄存器稱(chēng)為數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制端口 不同的寄存器有不同的端口地址，即用地址訪問(wèn) 端口由一個(gè)或多個(gè)寄存器組成 接口由若干個(gè)端口加上相應(yīng)的控制邏輯組成,7,接口的基本功能,數(shù)據(jù)緩沖功能 設(shè)備選擇功能 信號(hào)轉(zhuǎn)換功能 接收、解釋并執(zhí)行CPU命令的功能 中斷管理功能 可編程功能,8,接口電路的結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)對(duì)CPU數(shù)據(jù)總線速度和驅(qū)動(dòng)能力的匹配,實(shí)現(xiàn)各寄存器端口尋址操作,實(shí)現(xiàn)接口電路中的各寄存器端口的讀/寫(xiě)操作和時(shí)序控制,9,接口電路的分類(lèi),數(shù)據(jù)傳送方式： 并行接口 串行接口 功能選擇的靈活性： 可編程接口 不可編程接口 數(shù)據(jù)傳送操作的同步方式： 同步接口 異步接口 通用性： 通用接口 專(zhuān)用接口,10,6.2 I/O端口的編址方式,為了區(qū)分接口電路的各個(gè)寄存器，系統(tǒng)為它們各自分配了一個(gè)地址，稱(chēng)為I/O端口地址，以便對(duì)它們進(jìn)行尋址并與存儲(chǔ)器地址相區(qū)別 I/O端口有兩種編址方式：存儲(chǔ)器映像方式、I/O獨(dú)立編址方式,11,1、存儲(chǔ)器映像編址,指I/O端口與存儲(chǔ)器共享一個(gè)尋址空間，又稱(chēng)為統(tǒng)一編址。在這種系統(tǒng)中，CPU可以用同樣的指令對(duì)I/O端口和存儲(chǔ)器單元的進(jìn)行訪問(wèn)。 優(yōu)點(diǎn)：對(duì)I/O口的訪問(wèn)靈活方便，有利于提高端口數(shù)據(jù)的處理能力。 缺點(diǎn)：I/O端口占用了主存地址，相對(duì)減少了主存的可用范圍。,12,2、I/O獨(dú)立編址（一）,指主存地址空間和I/O端口地址空間相互獨(dú)立，分別編址。CPU通過(guò)指令來(lái)區(qū)分是訪問(wèn)I/O口還是存儲(chǔ)單元 優(yōu)點(diǎn)：主存和I/O端口的地址可用范圍都比較大； 缺點(diǎn)：I/O指令的功能一般比較弱，在I/O操作中必須借助CPU的寄存器進(jìn)行中轉(zhuǎn),13,2、I/O獨(dú)立編址（二）,80X86系列微處理器采用獨(dú)立的I/O編址方式 CPU使用地址總線中的A0A15來(lái)尋址I/O口，故最大I/O空間是64K個(gè)字節(jié)端口（或32K個(gè)字端口）,14,兩種編址方式比較（一）,分別是分離編址？還統(tǒng)一編址？,15,兩種編址方式比較（二）,16,6.3 I/O接口的訪問(wèn)控制,微機(jī)系統(tǒng)的每個(gè)端口都有惟一的端口地址 端口地址：經(jīng)譯碼電路譯碼后產(chǎn)生端口選通信號(hào)，控制端口的讀/寫(xiě)操作,17,I/O端口的地址分配,80X86系列微處理器提供16條地址線訪問(wèn)I/O端口,編址可達(dá)64K個(gè)字節(jié)端口或者32K個(gè)字端口。 IBM系列采用非完全譯碼方式，即只考慮了低10位地址線A0-A9，I/O端口地址范圍是0000H-03FFH，總共只有1024個(gè)字節(jié)端口 80386微處理器或此后的微處理器構(gòu)成的微機(jī)系統(tǒng)，采用全譯碼的方法，端口為64K個(gè)字節(jié)端口或32K個(gè)字端口,18,I/O端口地址選用的原則,自行設(shè)計(jì)接口電路或給微機(jī)系統(tǒng)添加接口卡時(shí)，必須避免端口地址發(fā)生沖突 申明保留的地址，不要使用 用戶可使用300H-31FH地址,19,I/O端口的地址譯碼,將來(lái)自地址總線上的地址代碼翻譯成為所需要訪問(wèn)端口的選通信號(hào) I/O端口地址譯碼電路結(jié)構(gòu) 譯碼電路的輸入信號(hào) 地址信號(hào)：由地址范圍決定 控制信號(hào)：數(shù)據(jù)流向（讀/寫(xiě)）、數(shù)據(jù)寬度（8位/16位）、是否采用奇/偶地址和DMA傳送方式 譯碼電路的輸出信號(hào)：接口芯片的片選信號(hào) 端口的讀寫(xiě)控制：輸入需要緩沖，輸出需要鎖存,20,I/O地址譯碼方法,地址譯碼的方法靈活多樣 高位地址線與CPU的控制信號(hào)進(jìn)行組合，經(jīng)譯碼電路產(chǎn)生I/O接口芯片的片選信號(hào)CS，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的接口芯片尋址 低位地址線直接接到I/O接口芯片的地址引腳，進(jìn)行I/O接口芯片的片內(nèi)端口尋址,21,6.5 I/O接口的數(shù)據(jù)傳輸控制方式,外設(shè)的速度與CPU相比要慢好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，且不同外設(shè)之間的速度也相差很大，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，CPU一定要等外設(shè)準(zhǔn)備就緒之后才能執(zhí)行輸入/輸出操作，而外設(shè)就緒的時(shí)刻對(duì)CPU而言是隨機(jī)的，因此需要同步。 三種I/O同步控制方式： 程序控制方式：無(wú)條件程序控制和程序查詢 中斷控制方式 直接存儲(chǔ)器存取方式，DMA方式,22,無(wú)條件程序控制方式（一）,最簡(jiǎn)單的I/O控制方式，CPU可以隨時(shí)根據(jù)需要無(wú)條件地讀寫(xiě)I/O端口 外設(shè)要求：簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)變化緩慢，操作時(shí)間固定，如一組開(kāi)關(guān)或LED顯示管。外設(shè)被認(rèn)為始終處于就緒狀態(tài) 接口特點(diǎn) CPU的DBI/O接口(輸出鎖存器)外設(shè) CPU的DBI/O接口(輸入緩沖器)外設(shè),23,無(wú)條件程序控制方式（二）,24,無(wú)條件程序控制方式（三）,例 START: MOV DX，INPORT IN AL，DX；讀入按鍵狀態(tài) TEST AL，01H；判斷最低位按鍵 JNZ K1；最低位按鍵沒(méi)閉合，轉(zhuǎn) MOV AL，01H；最低位發(fā)光 JMP DISP K1：TEST AL，02H； JNZ K2；次低位按鍵沒(méi)閉合，轉(zhuǎn) MOV AL，03H；最低2位發(fā)光 JMP DISP .,DISP: MOV DX，OUTPORT OUT DX，AL； JMP START,25,程序查詢輸入方式(條件傳送方式 ),接口特點(diǎn)：避免了對(duì)端口的“盲讀”、“盲寫(xiě)” ，數(shù)據(jù)傳送的可靠性高，并且硬件接口相對(duì)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是CPU工作效率低，I/O響應(yīng)速度慢；,外設(shè)要求：狀態(tài)口和數(shù)據(jù)口,在有多個(gè)外設(shè)的系統(tǒng)中，CPU的查詢順序由外設(shè)的優(yōu)先級(jí)確定,一種CPU主動(dòng)、外設(shè)被動(dòng)的I/O操作方式，很好地解決了CPU與外設(shè)之間的同步問(wèn)題,26,查詢控制的程序流程,27,程序查詢方式的輸入接口電路,28,數(shù)據(jù)端口(8位),狀態(tài)端口(1位),狀態(tài)信息占用數(shù)據(jù)線的D0位，查詢程序如下： QUERY:IN AL，S_PORT；狀態(tài)口地址 SAR AL，1 JNC QUERY IN AL，D_PORT；D_PORT是數(shù)據(jù)口地址,查詢輸入程序,29,查詢方式的A/D采樣,WAIT：IN AL，51H；讀狀態(tài)端口的值 TEST AL，10H；判斷D4是否為1？ JZ WAIT；不是1，等待 IN AL，50H；讀數(shù)據(jù)端口的值 MOV BUF，AL；將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)緩沖單元,30,程序查詢輸出方式,31,數(shù)據(jù)端口(8位),狀態(tài)端口(1位),BUSY,輸入狀態(tài)信息,BUSY?,輸出數(shù)據(jù)信息,N,Y,QUERY：IN AL，S_PORT；狀態(tài)口地址 SAR AL，1 JC QUERY OUT D_PORT，AL；D_PORT數(shù)據(jù)口地址,查詢輸出程序,32,查詢方式的打印機(jī)接口,WAIT：IN 7AH，AL ；讀狀態(tài)端口 TEST AL，04H ；判斷D2是否為0？ JNZ WAIT ；不是0，等待 MOV AL，BUF ；取數(shù)據(jù) OUT 78H，AL ；將數(shù)據(jù)送到打印機(jī)接口,33,多個(gè)外設(shè)的查詢,CPU周期性地依次查詢每個(gè)外設(shè)的狀態(tài) 優(yōu)先權(quán)決定了查詢次序 不具有實(shí)時(shí)性,34,圖6.17 用查詢方式實(shí)現(xiàn)I/O傳送的示例 (a) 外設(shè)與微機(jī)接口電路；(b) 外設(shè)工作時(shí)序,35,第6章 輸入/輸出技術(shù),圖6.18 幾種輪詢控制流程,36,中斷控制方式,接口特點(diǎn)：避免了CPU 反復(fù)低效率的查詢，適用于CPU任務(wù)繁忙、而數(shù)據(jù)傳送不太頻繁的系統(tǒng)中。缺點(diǎn)是硬件電路和處理過(guò)程都比較復(fù)雜;（中斷控制芯片）,CPU被動(dòng)而外設(shè)主動(dòng)的I/O操作方式，較大地提高了CPU的工作效率，并使系統(tǒng)具有了實(shí)時(shí)處理功能,37,中斷控制方式,數(shù)據(jù)緩沖,控制端口,外 設(shè),INTR,中斷可被響應(yīng)的條件： 中斷請(qǐng)求觸發(fā)器置位；中斷屏蔽觸發(fā)器清零；CPU內(nèi)部開(kāi)放中斷；CPU未處理更高級(jí)中斷；CPU現(xiàn)行指令執(zhí)行完,38,中斷工作過(guò)程,外設(shè)需要CPU服務(wù)時(shí) 外設(shè)I/O接口向CPU發(fā)中斷請(qǐng)求，INTR=H(中斷請(qǐng)求有效) CPU執(zhí)行完當(dāng)前指令后, (注: 若IF = 1) CPU I/O接口 外設(shè)發(fā)中斷響應(yīng)，/INTA = L CPU執(zhí)行中斷服務(wù)程序, CPUI/O接口外設(shè)讀寫(xiě)數(shù)據(jù),39,DMA控制方式(存儲(chǔ)器直接存取),內(nèi)存與外設(shè)間有大量數(shù)據(jù)交換時(shí)，采用中斷方式，每傳送一次數(shù)據(jù)，就必須經(jīng)歷中斷處理的全部步驟，而且一般需要借助CPU內(nèi)部的寄存器作為中介 DMA方式：不用CPU的寄存器作傳數(shù)中介, 完成存儲(chǔ)器和外設(shè)間的直接傳數(shù)，CPU必須將系統(tǒng)總線的控制權(quán)讓給DMAC,40,DMA方式原理方框圖,DB HOLD CPU HLDA AB,DMAC,MEM,I/O,41,DMA的工作流程,DMAC發(fā)存儲(chǔ)器地址,在總線上傳送數(shù)據(jù),傳送結(jié)束？,修改地址指針,DMA結(jié)束，交還總線權(quán),Y,N,42,能實(shí)現(xiàn)上述操作的DMA控制器的硬件方框圖下如圖所示。,隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，DMA傳送已不局限于存儲(chǔ)器與外設(shè)間的信息交換，而可以擴(kuò)展為在存儲(chǔ)器的兩個(gè)區(qū)域之間，或兩種高速外設(shè)之間進(jìn)行DMA傳送，如右圖所示。,DMA的三種傳輸方式: 連續(xù)傳送（塊傳送） DMAC申請(qǐng)到總線后，將一塊數(shù)據(jù)傳送完后才釋放總線，而不管中間DREQ是否有效。 單次傳送（每次傳送一個(gè)字節(jié)） 每個(gè)DMA周期只傳送一個(gè)字節(jié)就立即釋放總線。 按需傳送（猝發(fā)傳送） 只要I/O接口的數(shù)據(jù)緩沖可用，就進(jìn)行傳送。 (注：I/O接口需要有一定大小的FIFO緩沖),45,Y,N,允許DMA,DMA請(qǐng)求？,DMAC請(qǐng)求總線,CPU響應(yīng), DMAC獲總線控制權(quán),DMA傳送一個(gè)字節(jié),塊結(jié)束？,地址增量，計(jì)數(shù)器減量,DMAC釋放總線,Y,數(shù)據(jù)塊傳送,N,46,N,Y