《輸入／輸出》PPT課件

1、1第第6章微型計算機接口章微型計算機接口本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容接口電路中的信息接口電路中的信息微型計算機接口及其組成微型計算機接口及其組成計算機與外設(shè)交換數(shù)據(jù)的方式計算機與外設(shè)交換數(shù)據(jù)的方式2接口電路中的信息接口電路中的信息接口電路中通常包括接口電路中通常包括3種信息，即：數(shù)據(jù)信息、種信息，即：數(shù)據(jù)信息、形狀信息和控制信息形狀信息和控制信息1. 數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)信息CPU與外設(shè)交換的根本信息就是數(shù)據(jù)與外設(shè)交換的根本信息就是數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)信息普通分為數(shù)據(jù)信息普通分為3種類型，即數(shù)字量、模擬量、種類型，即數(shù)字量、模擬量、開關(guān)量開關(guān)量 數(shù)字量數(shù)字量數(shù)字量是以二進制方式表示的數(shù)或以數(shù)字量是以二進制方式表示的數(shù)

2、或以ASCII碼表碼表示的數(shù)據(jù)和字符示的數(shù)據(jù)和字符3接口電路中的信息接口電路中的信息 模擬量模擬量當(dāng)微機系統(tǒng)用于過程控制時，大量的現(xiàn)場物理量當(dāng)微機系統(tǒng)用于過程控制時，大量的現(xiàn)場物理量如溫度、壓力、流量等經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換為延續(xù)如溫度、壓力、流量等經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換為延續(xù)變化的電量，經(jīng)過放大后就是模擬的電壓或電流變化的電量，經(jīng)過放大后就是模擬的電壓或電流它們必需經(jīng)過它們必需經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字量才干送入計轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字量才干送入計算機算機反過來當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)需求用模擬量控制時，計算機反過來當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)需求用模擬量控制時，計算機輸出的數(shù)字量也必需經(jīng)過輸出的數(shù)字量也必需經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換4 接口電路中的信息接

3、口電路中的信息 開關(guān)量開關(guān)量開關(guān)量就是一些表示兩種形狀的量，如：開開關(guān)量就是一些表示兩種形狀的量，如：開關(guān)的開閉，二極管的截止與導(dǎo)通等關(guān)的開閉，二極管的截止與導(dǎo)通等5接口電路中的信息接口電路中的信息2. 形狀信息形狀信息形狀信息是反映外設(shè)當(dāng)前任務(wù)形狀的信息形狀信息是反映外設(shè)當(dāng)前任務(wù)形狀的信息3. 控制信息控制信息控制信息是控制信息是CPU經(jīng)過接口傳送給外設(shè)的控制信經(jīng)過接口傳送給外設(shè)的控制信息，它是用來控制外設(shè)任務(wù)的信息息，它是用來控制外設(shè)任務(wù)的信息6微型計算機接口及其組成微型計算機接口及其組成微機與外界要進展數(shù)據(jù)傳送必需經(jīng)過外部設(shè)備微機與外界要進展數(shù)據(jù)傳送必需經(jīng)過外部設(shè)備進展；進展；微機的外部

4、設(shè)備多種多樣；微機的外部設(shè)備多種多樣；任務(wù)原理、驅(qū)動方式、信息格式、以及任務(wù)速任務(wù)原理、驅(qū)動方式、信息格式、以及任務(wù)速度方面彼此差別很大；度方面彼此差別很大；外部設(shè)備不能和外部設(shè)備不能和CPU直接相連；直接相連；所以必需運用所以必需運用 I/O接口電路。接口電路。7什么是什么是I/O接口接口 I/O接口是位于系統(tǒng)與外設(shè)之間、用來協(xié)助完成接口是位于系統(tǒng)與外設(shè)之間、用來協(xié)助完成數(shù)據(jù)傳送和控制數(shù)據(jù)傳送和控制I/O義務(wù)的邏輯電路義務(wù)的邏輯電路PC機系統(tǒng)板的可編程接口芯片、機系統(tǒng)板的可編程接口芯片、I/O總線槽的電總線槽的電路板適配器都是接口電路路板適配器都是接口電路CPU接口接口電路電路 I/O設(shè)備設(shè)

5、備8I/O接口的主要功能接口的主要功能n對輸入輸出數(shù)據(jù)進展緩沖和鎖存對輸入輸出數(shù)據(jù)進展緩沖和鎖存n輸出接口有鎖存環(huán)節(jié)輸出接口有鎖存環(huán)節(jié)n輸入接口有緩沖環(huán)節(jié)輸入接口有緩沖環(huán)節(jié)n對信號的方式和數(shù)據(jù)格式進展變換對信號的方式和數(shù)據(jù)格式進展變換n微機直接處置：數(shù)字量、開關(guān)量、脈沖量微機直接處置：數(shù)字量、開關(guān)量、脈沖量n對對I/O端口進展尋址端口進展尋址n把選中的外設(shè)與總線相接，并將未選中的設(shè)備與把選中的外設(shè)與總線相接，并將未選中的設(shè)備與總線隔離高阻態(tài)總線隔離高阻態(tài)n與與CPU和和I/O設(shè)備進展聯(lián)絡(luò)設(shè)備進展聯(lián)絡(luò)9I/O端口的編址端口的編址I/O端口有兩種編址方式端口有兩種編址方式1. I/O端口與存儲器一

6、致編址方式端口與存儲器一致編址方式外設(shè)端口地址和存儲器單元地址共占存儲器的訪外設(shè)端口地址和存儲器單元地址共占存儲器的訪問空間，即一個外設(shè)端口占用一個存儲單元地址問空間，即一個外設(shè)端口占用一個存儲單元地址如如:R6502,M6800 等采用此種方式等采用此種方式表示圖見下頁表示圖見下頁 10I/O端口與存儲器一致編址方式表示端口與存儲器一致編址方式表示I/O端口與存儲器共端口與存儲器共享一個地址空間享一個地址空間外設(shè)端口作為存儲器外設(shè)端口作為存儲器的一個單元的一個單元,對外設(shè)的對外設(shè)的操作可運用全部的存操作可運用全部的存儲器指令儲器指令11I/O端口與存儲器一致編址方式表示端口與存儲器一致編址方

7、式表示n優(yōu)點：優(yōu)點：n不需求專門的不需求專門的I/O指令指令nI/O數(shù)據(jù)存取與存儲器數(shù)據(jù)存取一樣靈敏數(shù)據(jù)存取與存儲器數(shù)據(jù)存取一樣靈敏n 缺陷：缺陷：nI/O口地址占用內(nèi)存單元號，將減少內(nèi)存容量口地址占用內(nèi)存單元號，將減少內(nèi)存容量n程序不易閱讀程序不易閱讀(不易區(qū)別訪主存或訪問外設(shè)不易區(qū)別訪主存或訪問外設(shè))12I/O端口的編址端口的編址2. I/O端口獨立編址方式端口獨立編址方式這種編址方式是這種編址方式是I/O端口地址和存儲器單元分別建端口地址和存儲器單元分別建立兩個地址空間，獨立編址。立兩個地址空間，獨立編址。CPU用專門的用專門的I/O指令指令去訪問去訪問I/O端口端口如如: 8086/8

8、088,Z80 等采用此種方式等采用此種方式 表示圖見下頁表示圖見下頁 13n I/O地址空間獨立于存儲地址空間地址空間獨立于存儲地址空間n CPU有專門的有專門的I/O操作指令操作指令n 優(yōu)點：優(yōu)點： n控制和譯碼電路相對簡單控制和譯碼電路相對簡單n專門的專門的I/O指令使程序明晰易讀指令使程序明晰易讀n指令簡單、速度快指令簡單、速度快n 缺陷：缺陷：n添加硬件開銷添加硬件開銷nI/O指令沒有存儲器指令豐富指令沒有存儲器指令豐富I/O端口獨立編址方式端口獨立編址方式14 輸入輸出指令輸入輸出指令 在第在第3章曾經(jīng)引見。章曾經(jīng)引見。15IBM PC/XT的的I/O端口地址端口地址n 在在PC機

9、中，僅用機中，僅用A9A0表示表示I/O口地址口地址(構(gòu)成構(gòu)成1KB端口端口)n000H1FFH：分配給系統(tǒng)板上的：分配給系統(tǒng)板上的I/O芯片運用芯片運用n200H3FFH：分配給擴展槽的：分配給擴展槽的I/O的地址的地址16I/O端口地址譯碼方法端口地址譯碼方法n I/O地址的譯碼方法與存儲器譯碼的方法根地址的譯碼方法與存儲器譯碼的方法根本一樣，方法也有多種，這里舉一個例子：本一樣，方法也有多種，這里舉一個例子：17地址總線地址總線端口地址端口地址(十六進制十六進制)片選用片選用端口選擇用端口選擇用A9A8A7A6A5A4A3A2A1A01100000000300H01301H10302H1

10、1303H18 這是一種部分譯碼方法，按照系統(tǒng)分配給某這是一種部分譯碼方法，按照系統(tǒng)分配給某接口的地址區(qū)域，對地址總線的某些位進展譯接口的地址區(qū)域，對地址總線的某些位進展譯碼，產(chǎn)生對該接口包含的存放器端口的組碼，產(chǎn)生對該接口包含的存放器端口的組選信號，再由低位地址線對組內(nèi)存放器端口選信號，再由低位地址線對組內(nèi)存放器端口譯碼尋址，從而確定與譯碼尋址，從而確定與CPU通訊的外部設(shè)備通訊的外部設(shè)備例如例如IBM PC系統(tǒng)板上的接口地址譯碼就是采用系統(tǒng)板上的接口地址譯碼就是采用此種譯碼尋址方式此種譯碼尋址方式19CPU與外設(shè)信息交換控制方式與外設(shè)信息交換控制方式本節(jié)主要內(nèi)容本節(jié)主要內(nèi)容無條件傳送方式無

11、條件傳送方式查詢方式條件傳送方式查詢方式條件傳送方式中斷控制方式中斷控制方式直接存儲器存取直接存儲器存取DMA控制方式控制方式20 1.無條件傳送控制方式無條件傳送控制方式 在在CPU與慢速變化的設(shè)備交換數(shù)據(jù)時，可以以為與慢速變化的設(shè)備交換數(shù)據(jù)時，可以以為他們總是處于他們總是處于“就緒形狀，隨時可以進展數(shù)據(jù)就緒形狀，隨時可以進展數(shù)據(jù)傳送；稱為無條件傳送，或稱為立刻傳送、同傳送；稱為無條件傳送，或稱為立刻傳送、同步傳送步傳送 適用于簡單設(shè)備，如適用于簡單設(shè)備，如LED數(shù)碼管、按鍵或按鈕等數(shù)碼管、按鍵或按鈕等 無條件傳送的接口和操作均非常簡單無條件傳送的接口和操作均非常簡單 211.無條件傳送控制

12、方式無條件傳送控制方式n 這種傳送有一個前提，就是：外設(shè)必需這種傳送有一個前提，就是：外設(shè)必需隨時就緒，外部控制過程的各種動作時間隨時就緒，外部控制過程的各種動作時間是固定的且是知的情況是固定的且是知的情況n其輸入輸出原理如下頁圖所示其輸入輸出原理如下頁圖所示22無條件傳送控制無條件傳送控制I/O原理表示原理表示232. 條件傳送控制方式條件傳送控制方式條件傳送又稱為查詢傳送，它是在傳送數(shù)據(jù)前，條件傳送又稱為查詢傳送，它是在傳送數(shù)據(jù)前，CPU需求了解查詢外設(shè)的任務(wù)形狀，然后在外需求了解查詢外設(shè)的任務(wù)形狀，然后在外設(shè)可以交換信息的情況下設(shè)可以交換信息的情況下 “就緒形狀，實現(xiàn)就緒形狀，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的

13、輸入輸出。假設(shè)外設(shè)未預(yù)備好，數(shù)據(jù)的輸入輸出。假設(shè)外設(shè)未預(yù)備好，CPU就要等就要等待待對多個外設(shè)的情況下，對多個外設(shè)的情況下，CPU將按一定的順序依次將按一定的順序依次查詢每個設(shè)備輪詢。先查詢的外設(shè)將優(yōu)先進展查詢每個設(shè)備輪詢。先查詢的外設(shè)將優(yōu)先進展數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)交換 查詢傳送的特點是：任務(wù)可靠，適用面寬；缺陷查詢傳送的特點是：任務(wù)可靠，適用面寬；缺陷是傳送效率低是傳送效率低24 就緒就緒Ready的意義的意義n 在輸入場所在輸入場所n “就緒闡明輸入接口已預(yù)備好送往就緒闡明輸入接口已預(yù)備好送往CPU的數(shù)據(jù)，的數(shù)據(jù)，等著等著CPU來讀取來讀取n 該形狀也可以用接口中數(shù)據(jù)緩沖器已該形狀也可以用接口中數(shù)

14、據(jù)緩沖器已“滿來描滿來描畫畫25 就緒就緒Ready的意義的意義n在輸出場所在輸出場所n“就緒闡明輸出接口已做好預(yù)備，等待接納就緒闡明輸出接口已做好預(yù)備，等待接納CPU輸出的數(shù)據(jù)輸出的數(shù)據(jù)n該形狀也可以用接口中數(shù)據(jù)緩沖器已該形狀也可以用接口中數(shù)據(jù)緩沖器已“空，或者空，或者用外設(shè)用外設(shè)“閑或不閑或不“忙忙BUSY來描畫來描畫26查詢傳送的兩個環(huán)節(jié)查詢傳送的兩個環(huán)節(jié)n 查詢環(huán)節(jié)查詢環(huán)節(jié)n尋址形狀口尋址形狀口n讀取形狀存放器的標(biāo)志位讀取形狀存放器的標(biāo)志位n假設(shè)不就緒就繼續(xù)查詢，直至就緒假設(shè)不就緒就繼續(xù)查詢，直至就緒27查詢傳送的兩個環(huán)節(jié)查詢傳送的兩個環(huán)節(jié)n傳送環(huán)節(jié)傳送環(huán)節(jié)n尋址數(shù)據(jù)口尋址數(shù)據(jù)口n是輸

15、入，經(jīng)過輸入指令從數(shù)據(jù)端口讀是輸入，經(jīng)過輸入指令從數(shù)據(jù)端口讀入數(shù)據(jù)入數(shù)據(jù)n是輸出，經(jīng)過輸出指令從數(shù)據(jù)端口輸是輸出，經(jīng)過輸出指令從數(shù)據(jù)端口輸出數(shù)據(jù)出數(shù)據(jù)28 查詢輸入查詢輸入29 輸入時的數(shù)據(jù)和形狀信息輸入時的數(shù)據(jù)和形狀信息30 程序流程圖程序流程圖31 查詢輸入的程序?qū)崿F(xiàn)查詢輸入的程序?qū)崿F(xiàn)LTEST: IN AL, STATUS_PORT ; 從形狀口讀入信息從形狀口讀入信息 AND AL,80H ; 檢查檢查ready=1 ? JZ LTEST ;ready不等于不等于1，循環(huán)，循環(huán) IN AL,DATA_PORT ;ready=1,從數(shù)據(jù)口讀從數(shù)據(jù)口讀 入數(shù)據(jù)入數(shù)據(jù) 32 查詢輸入方式，輸

16、入數(shù)據(jù)必需經(jīng)過三個步驟：查詢輸入方式，輸入數(shù)據(jù)必需經(jīng)過三個步驟： CPU從形狀口讀取形狀字從形狀口讀取形狀字 CPU用指令查詢形狀能否滿足條件，不滿足再讀用指令查詢形狀能否滿足條件，不滿足再讀形狀字，否那么進入下一步形狀字，否那么進入下一步 CPU從數(shù)據(jù)口讀取數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)口讀取數(shù)據(jù) 查詢輸入方式小結(jié)查詢輸入方式小結(jié)33 查詢輸出省略查詢輸出省略343.中斷控制方式中斷控制方式n 無條件傳送方式，需求知定時時間，因此可無條件傳送方式，需求知定時時間，因此可靠性差，但硬件、軟件簡單靠性差，但硬件、軟件簡單n 查詢傳送方式，查詢傳送方式，CPU需求花大量的時間去讀需求花大量的時間去讀形狀字，效率低；多

17、個外設(shè)操作采用輪詢機制，形狀字，效率低；多個外設(shè)操作采用輪詢機制，因此實時性差因此實時性差n中斷控制方式適用于多個外設(shè)及實時系統(tǒng)中斷控制方式適用于多個外設(shè)及實時系統(tǒng)351中斷控制方式過程中斷控制方式過程 CPU假設(shè)采用中斷控制方式與外設(shè)交換數(shù)假設(shè)采用中斷控制方式與外設(shè)交換數(shù)據(jù)，其過程是：據(jù)，其過程是：CUP啟動外設(shè)任務(wù)后，就去作啟動外設(shè)任務(wù)后，就去作本人的任務(wù)，這時外設(shè)和本人的任務(wù)，這時外設(shè)和CPU是并行任務(wù)的，是并行任務(wù)的，即外設(shè)預(yù)備數(shù)據(jù)，即外設(shè)預(yù)備數(shù)據(jù)，CPU執(zhí)行程序。當(dāng)外設(shè)預(yù)備執(zhí)行程序。當(dāng)外設(shè)預(yù)備就緒，向就緒，向CPU發(fā)出中斷懇求發(fā)出中斷懇求 一旦一旦CPU呼應(yīng)懇求，就暫停原程序的執(zhí)行，

18、呼應(yīng)懇求，就暫停原程序的執(zhí)行，而轉(zhuǎn)去執(zhí)行一段預(yù)先安排好的中斷效力程序而轉(zhuǎn)去執(zhí)行一段預(yù)先安排好的中斷效力程序361中斷控制方式過程中斷控制方式過程 在中斷效力程序中，進展數(shù)據(jù)傳輸；此時在中斷效力程序中，進展數(shù)據(jù)傳輸；此時CPU和外設(shè)是串行任務(wù)的和外設(shè)是串行任務(wù)的 效力終了后，效力終了后，CPU又前往原來的斷點，繼又前往原來的斷點，繼續(xù)執(zhí)行原來的程序續(xù)執(zhí)行原來的程序372中斷傳送方式進展數(shù)據(jù)輸入時的根本中斷傳送方式進展數(shù)據(jù)輸入時的根本電路電路38n 中斷傳送是一種效率更高的程序傳送方式中斷傳送是一種效率更高的程序傳送方式n 進展傳送的中斷效力程序是預(yù)先設(shè)計好的進展傳送的中斷效力程序是預(yù)先設(shè)計好的n

19、 中斷懇求是外設(shè)隨機向中斷懇求是外設(shè)隨機向CPU提出的提出的n CPU對懇求的檢測是有規(guī)律的：普通是在每一個指令的最后一個時鐘周對懇求的檢測是有規(guī)律的：普通是在每一個指令的最后一個時鐘周期采樣中斷懇求輸入引腳期采樣中斷懇求輸入引腳n但是但是n每傳送一次數(shù)據(jù)，就要中斷一次每傳送一次數(shù)據(jù)，就要中斷一次n不適用大數(shù)據(jù)量傳送不適用大數(shù)據(jù)量傳送n 有關(guān)有關(guān)8086/8088的中斷系統(tǒng)的中斷系統(tǒng),詳見第詳見第7章章中斷控制方式小結(jié)中斷控制方式小結(jié)394. 直接存儲器存取直接存儲器存取DMA控制方式控制方式用于高速的用于高速的I/O及成組交換數(shù)據(jù)及成組交換數(shù)據(jù) 希望抑制程序控制傳送的缺乏：希望抑制程序控制傳送的缺乏：外設(shè)外設(shè)-CPU-存儲器存儲器外設(shè)外設(shè)- CPU存儲器存儲器外設(shè)外設(shè)-存儲器存儲器 CPU釋放總線，釋放總線，I/O操作完全由操作完全由DMA控制器管理控制器管理40DMA控制的根本原理控制的根本原理 DMA控制的根本原理如以下圖所示。控制的根本原理如以下圖所示。41DMA控制的根本原理控制的根本原理DMA的任務(wù)過程如下：的任務(wù)過程如下： 外圍設(shè)備向外圍設(shè)備向DMA控制器發(fā)出控制器發(fā)出DMA傳送懇求傳送懇求 DMA控制器向控制器向CPU發(fā)出的總線懇求信號發(fā)出的總線懇求信號(HOLD ) CPU 執(zhí)行完現(xiàn)行總線周期后，向執(zhí)行完現(xiàn)行總線周期后，向DMA控制控制器發(fā)出呼應(yīng)信號器發(fā)出呼應(yīng)信