第6章輸入輸出接口技術

1、第六章輸入輸出接口技術基礎(注：為趕上實驗進度，先跳過存儲器講此章)基本內容：i/o接u概念；i/o接u應用背景；cpu與i/o設備間的信號種類；i/o端u 的寄址方式；i/o三種傳輸方式:程序查詢方式，程序中斷方式,dma方式 基本要求：理解i/o接口的作用和一般結構；掌握i/o的編址方式和i/o傳輸方式的三 種方式；重點內容：i/o接口信號種類；i/o編址方式；三種傳輸方式；難點內容：三種傳輸方式；第一節(jié)概述實際系統(tǒng)中，除cpu外，還有各種外部設備，即外設，通過外設來實現人機交互，通訊控 制等目的，如鍵盤、顯示器、打印機、鼠標等。外設種類有電子式、機械式等，其信息也 有數字量、模擬量等。這

2、些設備與cpu連接或外設之間是通過接ui電路來實現的。在計算機系統(tǒng)里，接口指微機(或cpu)與外部設備之間的連接通道及有關的控制電 路。一、接口的作用(1) 信息類型不匹配時，對非數字信號進行轉換，或將數字信號轉換為非數字信號，如 溫度控制吋測溫度值。轉速控制吋將數字信號轉換為電壓信號(詳解)。(2) 對串并行信息進行轉換。cpu外設外設一cpu并 串串 并(3) 速度不匹配時要協(xié)調鎖存或緩沖(4) 多個并設設備時擴展t/0 口。也可按課本理解，逮廑、趕莊、信息格式、信息類型與電平不匹配。二、cpu和i/o設備間的接口信息通常，cpu和i/o設備間的接u信息有以下幾類信號：1、數據信息cpu和

3、外設交換的基本信息就是數據，數據通常為8位或16位。數據信息大致分 為如下三種類型：(1) 數字量(2) 模擬量(3) 幵關量2、狀態(tài)信息當前所處的工作狀態(tài)，是外設通過接口往cpu傳送的。如輸出設備是否 空閑，輸入設備是否數據準備好等。3、控制信息cpu通過接口傳遞給1/0設備的信息，用以控制1/0設備的工作，如啟動、停止等o三、i/o接口的一般結構及功能每個接門部件都包含一組寄存器，cpu和外設進行數據傳輸時，各類信息在接門屮進 入不同的寄存器一般稱這些寄存器為1/0端口，每個端口有一個端口地址。有些端口是用于對來自cpu和內存的數據或者送往cpu和內存的數據起緩沖作用的， 這些端口叫數據端

4、口。還有一些端口用來存放外設或者接口部件本身的狀態(tài)，稱為狀態(tài)端口，cpu通過對狀 態(tài)端口的訪問可以檢測外設和接口部件當前的狀態(tài)。第三類端口用來存放cpu發(fā)出的命令，以便控制端口和設備的動作，這類端口叫做控 制端口或命令端口。數據端口 ：存放內存式cpu與外設之間傳遞的數據，起緩沖作用。狀態(tài)端口：存放外設的狀態(tài)信息?？刂贫丝?：存放cpu發(fā)出指令并執(zhí)行選址功能以cpu讀取外設為例說明工作原理因cpu要訪問1/0接口，必須對1/0端口進行編號，即給予1/0端口不同地址以區(qū)分 它們。對端口編址有兩種方式：統(tǒng)一編址和獨立編址。1、統(tǒng)一編址把每一個端門視為一個存儲單元，并賦以相應地址。cpu訪問端門時可

5、直接使用存儲器訪問指令，也稱存儲器映象編址。此種編址方式下，被分配給1/0端口的地址，存儲器 不能再使用。采用這種編址方式的微處理器有6800、6502、68000等。特點：（1）無需專門t/0指令，可直接對端口進行算術邏輯運算，簡化了指令系統(tǒng)（2）外設占用了一部分內存地址空間，減少了內存可用的地址范圍，對內存容量有潛在的影響。此外，從指令上不易區(qū)分當前指令是對內存進行操作還是對外設進行操作。2、獨立編址t/0端口與存儲器分開獨立編址，即t/0端口和存儲器都有自己的一套地址空間，而且互不相干。例:端口號為288h,內存單元也為288h，通過不同的指令訪問。訪問端口用專門指令 in、out 指令

6、。優(yōu)點：（1）1/0設備不占用內存單元，節(jié)約了內存空間。（2）指令執(zhí)行速度快。缺點：專門的i/o指令功能相對較弱，一般只有傳送功能，而沒有運算功能。z80、80x86微機采用這種編址方式。規(guī)定：i/o端口的最大編址范圍（af a15）:2l6=64kibm pc機的編址范圍限定為：21o=1o24=1ki/o端口的地址64k個8位口地址（ooooh-ffffii）intel 80x86 cpu中，1/0端口地址區(qū)域和存儲器地址區(qū)域采用了獨立編址方式。訪 問i/o端口使用專門的i/o指令（in、out）,而訪問內存則使用mov、add等指令。cpu 在尋址內存和外設時，使用i0/m控制信號來區(qū)分

7、當前是對內存操作還是對i/o端1_1操 作。回顧：對端口訪問可采用直接尋址和寄存器間接尋址兩種尋址方式：若采用直接尋址方式，只使用8位地址（單字節(jié)），最大可尋256個端口，尋址范圍為 00hffh，指令格式如下：inal, port；從port端u（8位地址）輸入數據到alout port, al；從al輸出數據到port端口（8位地址）若采用寄存器間接尋址方式，可以使用16位范圍的地址（雙字節(jié)）作為端口地址， 最大可尋64 k個端口，尋址范圍為0000hffffh，（注：指定采用寄存器dx進行間址） 其指令格式如下：mov dx, xxxxh； 16位地址傳送給寄存器dxtnal, dx；從

8、指定端口（16位地址）輸入數據到八l第二節(jié)cpu與外設的數據傳遞方式各種外設的工作速度相差很大，有些相當高，如磁盤機的傳送速度達0.廣6mbit/s, 而有些外設卻由于機械或其他因素所致速度相當低，如鍵盤是用于人工輸入數據的，通常 速度為幾十毫秒輸入1個字節(jié)。這樣，cpu何時從輸入設備讀取數據以及何時往輸出設備 寫入數據，就成為較復雜的定時問題。概括起來，有如下三種傳送方式解決上述問題：程序方式、中斷方式、dma方式。而 程序方式乂可分為無條件傳送方式和查詢(有條件傳送)方式兩種o一.程序方式1、無條件傳送方式不斉詢外設狀態(tài)，直接進行數j信息傳送。隱含條件:外設已準備好，接收時，數據以準備好，

9、發(fā)送時設備處于空閑狀態(tài)。 實現方法:用指令直接輸入輸出如：in al 29h；直接從端口 29h讀數據。特點： 簡單、經濟，但可靠性差，易丟失數據，引起程序功能錯誤。 適用： 幵關、發(fā)光二極管、數碼管、繼電器等設備。2、條件傳送方式(又稱查詢方式)cpu通過程序不斷讀取并測試外設狀態(tài)，如果外設以準備好或處于空閑狀態(tài)，則cpu開始執(zhí)行傳送指令，否則一直等待。例：設端口號為27h，準備好位do。wait: in al, 27test al,00000001b jnz watt mov ax, bx out 28h, ax;(1)從狀態(tài)上讀狀態(tài)信息 ;(2)是否準備好 ;若未準備好冋(1)步;(3)

10、若己準備好，則輸出數據缺點:此種方式下，cpu不斷讀取并檢測狀態(tài)字,若數據一直未準備好，cpu 直查詢， 從而cpu無法執(zhí)行其它任務，效率底。多個外設時，實時性不好。特點：簡單、可靠性高，但cpu效率低。二. 中斷方式一般實時控制系統(tǒng)往往有幾個甚至幾十個外設，若釆用查詢方式，將占用cpu較多的 工作吋間，此外，由于外設接口處于消極被査詢的地位，很難滿足實吋控制系統(tǒng)對t/0 設備的要求。因此產生丫屮斷方式。此方式下，外設有申請cpu的主動權，當數據己準備好或空閑時，向cpu發(fā)出中斷請求 信號，使cpu暫停當前任務，進行外設數據傳輸，完畢后再進行原來的工作。即cpu進行并行工作。cpu在執(zhí)行程序時

11、，每執(zhí)行完一條指令都會檢查是否有中斷產生，若有，s中斷允許標 志位(if=1)則去執(zhí)行屮斷服務程序。優(yōu)點(1)實時性好，多外設時，哪個準備好，哪個產生中斷請求。(2)準確性，外設已準備好或空閑時才傳輸數據。特點：無需查詢等待，cpu利用率大大提高。不足：中斷控制方式仍需要一系列本與輸入輸出無關的操作(如壓棧保護等)，因此 對于高速i/o設備效率仍不算快。中斷詳細內容以后講解，如果有時間的話三. dma方式（direct memory access,直接存儲器存取方式）由輔助硬件電路完成輸入輸出的操作直接由dma控制器硬件控制數據傳輸，傳輸過程無需cpu干預。工作過程：由dma控制器向cpu發(fā)出總線請求，cpu發(fā)回響應信號，并同時讓出總線管理權給dma控制器。在dma控制器控制下，數據在1/0接口與存儲器之間直接傳送。傳 送完畢，dma控制器向cpu發(fā)回結束中斷請求，則cpu收回總線管理權。特點：速度快（因為有dma硬件直接控制），效率高。主要因為屮斷查詢等傳送方式的缺點。 f保護斷點，標志位，寄存器內容占用時間中斷6字節(jié)指令隊列要清除，重裝中斷服務