數(shù)字量輸入輸出控制方式

1、數(shù)字量的輸入輸出控制方式數(shù)字量的輸入輸出控制方式 一、典型的數(shù)字量輸入一、典型的數(shù)字量輸入/ /輸出接口電路輸出接口電路 二、二、CPUCPU對數(shù)字量輸入對數(shù)字量輸入/ /輸出的控制方式輸出的控制方式第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 I/O信號的形式信號的形式一一 數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)信息1. 數(shù)字量數(shù)字量二進制形式的數(shù)據(jù)，或是已經(jīng)過編碼的二進制形式的數(shù)據(jù)。二進制形式的數(shù)據(jù)，或是已經(jīng)過編碼的二進制形式的數(shù)據(jù)。最小單位為最小單位為“位位”(bit)，8位稱為一個字節(jié)位稱為一個字節(jié)(BYTE)。2. 模擬量模擬量模擬量信號不能直接進入計算機，必須經(jīng)過模擬量信號不能直接進入計算機，必須經(jīng)過A/D(模擬模擬/數(shù)字數(shù)字)

2、轉換器，把模擬量轉換成數(shù)字量，才能輸入計算機。當外部轉換器，把模擬量轉換成數(shù)字量，才能輸入計算機。當外部設備需要模擬量信號控制時，設備需要模擬量信號控制時，D/A(數(shù)字數(shù)字/模擬模擬)轉換器又能把轉換器又能把數(shù)字量轉換成模擬量信號。數(shù)字量轉換成模擬量信號。3.開關量開關量開關量信號只有兩種狀態(tài)，即開關量信號只有兩種狀態(tài)，即“開開”或或“閉閉”。這樣，只要用一位。這樣，只要用一位二進制數(shù)就可表示。二進制數(shù)就可表示。二二 狀態(tài)信息狀態(tài)信息 反應當前外設的工作狀態(tài)，是外設通過接口往反應當前外設的工作狀態(tài)，是外設通過接口往CPU傳送的。傳送的。三三 控制信息控制信息 是是CPU通過接口傳送給外設的，通

3、過接口傳送給外設的，CPU通過發(fā)送控制信息通過發(fā)送控制信息 控制外設的工作?？刂仆庠O的工作。 I/O接口接口在計算機中，介于在計算機中，介于CPU與外設間，實現(xiàn)硬件連接和軟件通訊與外設間，實現(xiàn)硬件連接和軟件通訊的裝置。的裝置。一、一、 I/O接口的作用接口的作用對信息的傳輸形式進行變換。（模數(shù)轉換和數(shù)模轉換）對信息的傳輸形式進行變換。（模數(shù)轉換和數(shù)模轉換） 電平轉換和放大電平轉換和放大 I/O定向定向 串并轉換及并串轉換串并轉換及并串轉換 鎖存和緩沖鎖存和緩沖二、二、 I/O接口的構成接口的構成CPU譯譯碼碼數(shù)據(jù)端口數(shù)據(jù)端口狀態(tài)端口狀態(tài)端口控制端口控制端口I/O設備設備DBABCB(1) I/

4、O端口端口概念：概念：CPU與外設進行數(shù)據(jù)傳輸時，各類信息在接口進入不同與外設進行數(shù)據(jù)傳輸時，各類信息在接口進入不同的寄存器，一般稱這些寄存器為的寄存器，一般稱這些寄存器為I/O端口。端口。分類：數(shù)據(jù)端口，狀態(tài)端口，控制端口。分類：數(shù)據(jù)端口，狀態(tài)端口，控制端口。CPU數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)狀態(tài)狀態(tài)控制控制外設外設(2) I/O端口的編址方式端口的編址方式 存儲器映射方式存儲器映射方式(統(tǒng)一編址方式統(tǒng)一編址方式) 優(yōu)點：使用優(yōu)點：使用MEM操作指令，不需專用的操作指令，不需專用的I/O指令，指令豐富，使指令，指令豐富，使I/O 功能更加靈活。功能更加靈活。 缺點：缺點：MEM容量減小，容量減小，MEM指令長度

5、一般比專用指令長度一般比專用I/O指令長。指令長。 I/O映射方式映射方式(獨立編址方式獨立編址方式) 缺點：訪問缺點：訪問I/O需要專門的需要專門的I/O指令，指令少，訪問不靈活。指令，指令少，訪問不靈活。 優(yōu)點：不需要占用存儲器空間，指令長度短，執(zhí)行速度快。優(yōu)點：不需要占用存儲器空間，指令長度短，執(zhí)行速度快。一一.直接傳送方式直接傳送方式 適用于總是處于準備適用于總是處于準備 好狀態(tài)的外設好狀態(tài)的外設 優(yōu)點：軟件及接口硬件優(yōu)點：軟件及接口硬件 簡單簡單 缺點：只適用于簡單缺點：只適用于簡單 外設，適應范圍較窄外設，適應范圍較窄 I/O的控制方式的控制方式二二. 查詢傳送方式查詢傳送方式(1

6、) 概念概念(2) 三環(huán)節(jié)三環(huán)節(jié)CPU從接口中從接口中 讀取狀態(tài)字讀取狀態(tài)字 CPU檢測狀態(tài)字檢測狀態(tài)字如果外設處于就緒如果外設處于就緒 狀態(tài)，傳送數(shù)據(jù)狀態(tài)，傳送數(shù)據(jù)查詢式輸入的接口電路查詢式輸入的接口電路 數(shù)字量的輸入輸出控制方式數(shù)字量的輸入輸出控制方式一、典型的數(shù)字量輸入一、典型的數(shù)字量輸入/ /輸出接口電路輸出接口電路 外部設備與外部設備與CPUCPU交換信息必須通過輸入交換信息必須通過輸入/ /輸出接口電路。輸入輸出接口電路。輸入/ /輸出的信息有輸出的信息有數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制狀態(tài)和控制三類不同的信息，為了區(qū)別不三類不同的信息，為了區(qū)別不同類型的信息需設置不同的端口。同類型的信息需

7、設置不同的端口。 因此一個典型的數(shù)字量輸入因此一個典型的數(shù)字量輸入/ /輸出接口電輸出接口電路必須包括路必須包括數(shù)據(jù)端口、狀態(tài)端口和控制端數(shù)據(jù)端口、狀態(tài)端口和控制端口口, ,如圖如圖2-272-27所示。所示。 數(shù)字量的輸入輸出控制方式數(shù)字量的輸入輸出控制方式數(shù)據(jù)狀態(tài)控制DBABCB譯碼器CPU數(shù)據(jù)端口狀態(tài)端口控制端口輸入/輸出 設備圖圖2-27 2-27 典型的數(shù)字量輸入典型的數(shù)字量輸入/ /輸出接口電路輸出接口電路選通不同端口選通不同端口選擇某個外設選擇某個外設決定信息讀寫決定信息讀寫 數(shù)字量的輸入輸出控制方式數(shù)字量的輸入輸出控制方式二、二、CPUCPU對數(shù)字量輸入對數(shù)字量輸入/ /輸出的

8、控制方式輸出的控制方式 同步傳遞方式、查詢傳遞方式、中斷控制方式和同步傳遞方式、查詢傳遞方式、中斷控制方式和直接存儲器訪問方式直接存儲器訪問方式（1 1）同步傳遞方式（無條件程序控制方式）同步傳遞方式（無條件程序控制方式） 這種控制方式這種控制方式只適合于只適合于CPUCPU與比較簡單而且其數(shù)與比較簡單而且其數(shù)據(jù)狀態(tài)變化速度緩慢或變化速度是固定的外設交據(jù)狀態(tài)變化速度緩慢或變化速度是固定的外設交換信息時采用。換信息時采用。如：如：7 7段碼顯示、開關、隔離開段碼顯示、開關、隔離開關、斷路器、繼電器、發(fā)光二極管等。關、斷路器、繼電器、發(fā)光二極管等。 CPUCPU與外設傳送數(shù)據(jù)時必須保證同步，即執(zhí)行

9、輸與外設傳送數(shù)據(jù)時必須保證同步，即執(zhí)行輸入命令時，外設一定是準備好的，執(zhí)行輸出操作入命令時，外設一定是準備好的，執(zhí)行輸出操作時，外設一定是空的。時，外設一定是空的。 數(shù)字量的輸入輸出控制方式數(shù)字量的輸入輸出控制方式圖圖2-28 2-28 同步傳遞輸入方式同步傳遞輸入方式來自CPUWDport2 地址總線數(shù)據(jù)總線 數(shù)據(jù)到外設CE鎖存器 地址譯碼器圖圖2-29 2-29 同步傳遞輸出方式同步傳遞輸出方式問題：問題：什么是緩沖器？什么是鎖存器，二者有何什么是緩沖器？什么是鎖存器，二者有何 區(qū)別？區(qū)別？ 地址譯碼器三態(tài)緩沖器 數(shù)據(jù)來自外設數(shù)據(jù)總線地址總線port1 RDCPU0 00 00 0 數(shù)字量

10、的輸入輸出控制方式數(shù)字量的輸入輸出控制方式（2 2）查詢傳遞方式（條件傳遞方式）查詢傳遞方式（條件傳遞方式） 一些數(shù)據(jù)變化不規(guī)則的外設，如果傳送數(shù)據(jù)時，一些數(shù)據(jù)變化不規(guī)則的外設，如果傳送數(shù)據(jù)時，CPUCPU不與外設同步，則傳送數(shù)據(jù)便要出錯，為此不與外設同步，則傳送數(shù)據(jù)便要出錯，為此采用查詢傳送方式。查詢傳送方式能使采用查詢傳送方式。查詢傳送方式能使CPUCPU能與能與各種速度的外設配合工作。各種速度的外設配合工作。 查詢的優(yōu)點：在簡化硬件接口的情況下，傳送查詢的優(yōu)點：在簡化硬件接口的情況下，傳送數(shù)據(jù)更加準確，控制程序容易編制。數(shù)據(jù)更加準確，控制程序容易編制。 缺點：缺點：CPUCPU需要不斷的

11、查詢外設的狀態(tài)，占用了需要不斷的查詢外設的狀態(tài)，占用了CPU CPU 的工作空間。的工作空間。 適用于適用于CPUCPU與單個或較少外設交換信息。與單個或較少外設交換信息。 數(shù)字量的輸入輸出控制方式數(shù)字量的輸入輸出控制方式三態(tài)緩沖器1 輸入設備 三態(tài)緩沖器2 地址譯碼 RDRDport1 port2 CPU之數(shù)據(jù)總線DB DB0 地址總線 AB 圖圖2-30 2-30 查詢式輸入接口電路查詢式輸入接口電路圖圖2-312-31查詢式輸入程序流圖查詢式輸入程序流圖輸入狀態(tài)信息準備好？輸入數(shù)據(jù)D0狀態(tài)端口port2 狀態(tài)端口port1 ready 8位數(shù)據(jù)ready=1，外設準備好 ATEST 數(shù)字

12、量的輸入輸出控制方式數(shù)字量的輸入輸出控制方式圖圖2-32 2-32 查詢式輸出接口電路查詢式輸出接口電路busy=1，外設忙 busy=0,外設已空輸出數(shù)據(jù)讀狀態(tài)端口busy D0D7 busy？ 準備輸出數(shù)據(jù)AWAIT PO 圖圖2-33 2-33 查詢式輸出程序流圖查詢式輸出程序流圖去地址總線DB0DB 輸出設備 鎖存器 數(shù)據(jù)總線WDoutport inport RD譯碼器 地址總線 AB 三態(tài)緩沖器 數(shù)據(jù)busy 數(shù)字量的輸入輸出控制方式數(shù)字量的輸入輸出控制方式（3 3）中斷控制方式）中斷控制方式 能提高能提高CPUCPU工作效率和及時處理外設的請求，工作效率和及時處理外設的請求，可與多

13、個外設同時工作?？膳c多個外設同時工作。 中斷：指中斷：指CPUCPU暫時中止其正在執(zhí)行的程序，暫時中止其正在執(zhí)行的程序，轉至執(zhí)行請求中斷的某個外部設備或事件轉至執(zhí)行請求中斷的某個外部設備或事件的服務、程序，待處理完畢后再返回原來的服務、程序，待處理完畢后再返回原來中止的程序順序進行（程序在執(zhí)行過程中中止的程序順序進行（程序在執(zhí)行過程中由于外界的原因而中間打斷的情況）稱中由于外界的原因而中間打斷的情況）稱中斷。斷。 數(shù)字量的輸入輸出控制方式數(shù)字量的輸入輸出控制方式 當當CPUCPU需要與外設交換信息時，需要與外設交換信息時，若外設要輸入若外設要輸入CPUCPU的數(shù)據(jù)已準備好，的數(shù)據(jù)已準備好，存放

14、于寄存器中，或在輸出時，存放于寄存器中，或在輸出時，若外設已把數(shù)據(jù)取走，即輸出寄若外設已把數(shù)據(jù)取走，即輸出寄存器已空，則由外設向存器已空，則由外設向CPUCPU發(fā)出中發(fā)出中斷請求，斷請求，CPUCPU接到外設的申請后，接到外設的申請后，若沒有更重要的處理，若沒有更重要的處理，CPUCPU就暫停就暫停當前執(zhí)行的程序（即實現(xiàn)中斷），當前執(zhí)行的程序（即實現(xiàn)中斷），轉去執(zhí)行輸入或輸出操作（稱中轉去執(zhí)行輸入或輸出操作（稱中斷服務），待輸入或輸出操作完斷服務），待輸入或輸出操作完成后即返回，成后即返回，CPUCPU再繼續(xù)執(zhí)行原來再繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。的程序?，F(xiàn)行程序現(xiàn)行程序中斷服務中斷服務程序程序繼續(xù)執(zhí)行

15、繼續(xù)執(zhí)行中斷示意圖中斷示意圖 數(shù)字量的輸入輸出控制方式數(shù)字量的輸入輸出控制方式（4 4）直接存儲器訪問方式）直接存儲器訪問方式 外設與內(nèi)存之間，外設與外設之間進行數(shù)外設與內(nèi)存之間，外設與外設之間進行數(shù)據(jù)傳送時，要經(jīng)過據(jù)傳送時，要經(jīng)過CPUCPU中轉，這對高速外設中轉，這對高速外設（如磁盤）在進行大批量數(shù)據(jù)傳送時，會（如磁盤）在進行大批量數(shù)據(jù)傳送時，會造成中斷次數(shù)過于頻繁，這不僅影響速度造成中斷次數(shù)過于頻繁，這不僅影響速度而且耗費大量而且耗費大量CPUCPU的時間，故采用直接存儲的時間，故采用直接存儲器訪問方式。器訪問方式。 由由DMADMA來實現(xiàn)內(nèi)存與外設，或外設與外設之來實現(xiàn)內(nèi)存與外設，或外

16、設與外設之間的直接快速傳送，減輕了間的直接快速傳送，減輕了CPUCPU的負擔。的負擔。 數(shù)字量的輸入輸出控制方式數(shù)字量的輸入輸出控制方式 上述的四種控制方式在一個微機系統(tǒng)中上述的四種控制方式在一個微機系統(tǒng)中可能全被選用在不同的信息傳送過程中，可能全被選用在不同的信息傳送過程中，也可能只選用其中的二、三種。這需根據(jù)也可能只選用其中的二、三種。這需根據(jù)不同的硬件結構及接口功能來選擇，應具不同的硬件結構及接口功能來選擇，應具體問題具體分析。體問題具體分析。CPU對輸入對輸入/輸出數(shù)據(jù)的控制方式輸出數(shù)據(jù)的控制方式1、同步傳送方式、同步傳送方式指指CPU在在需要需要和數(shù)據(jù)端口進行傳送時和數(shù)據(jù)端口進行傳送

17、時,直接對其執(zhí)行直接對其執(zhí)行I/O指令指令(先要確保外設準備好否則傳送失敗先要確保外設準備好否則傳送失敗).2、查詢傳送方式、查詢傳送方式傳送前傳送前,先查詢外設狀態(tài)先查詢外設狀態(tài),準備好才傳送準備好才傳送,否則否則CPU處于等待狀態(tài)處于等待狀態(tài).3、中斷傳送方式、中斷傳送方式外設與外設與CPU處于并行工作處于并行工作,一旦外設準備好一旦外設準備好,外設向外設向CPU發(fā)中斷發(fā)中斷申請申請,條件具備條件具備,CPU暫停原程序執(zhí)行暫停原程序執(zhí)行,響應中斷響應中斷,外設與外設與CPU串行串行工作工作.4、DMA傳送方式傳送方式CPU不干予不干予,由硬件實現(xiàn)由硬件實現(xiàn)存儲器與外設之間存儲器與外設之間交

18、交換數(shù)據(jù)換數(shù)據(jù),稱直接存取存儲器稱直接存取存儲器.1、直接傳送方式、直接傳送方式例如用輸出接口驅動發(fā)光二極管例如用輸出接口驅動發(fā)光二極管LED:輸出輸出“0”LED熄滅熄滅;輸出輸出“1”LED發(fā)光發(fā)光.以上傳送過程以上傳送過程沒有不協(xié)調(diào)的可能沒有不協(xié)調(diào)的可能,所以也稱為同步傳送或無條所以也稱為同步傳送或無條件傳送件傳送.MOVDX,219HOUTDX,AL2、查詢傳送方式、查詢傳送方式實現(xiàn)方法實現(xiàn)方法:在在CPU要與外設交換數(shù)據(jù)時要與外設交換數(shù)據(jù)時,先查詢外設先查詢外設(I/O端口端口)的狀態(tài)的狀態(tài).對于輸入設備對于輸入設備,當外設準備好當外設準備好,或者對于輸或者對于輸出設備出設備,當外設

19、空閑時當外設空閑時,CPU才從外設輸入數(shù)據(jù)或者向外才從外設輸入數(shù)據(jù)或者向外設輸出數(shù)據(jù)設輸出數(shù)據(jù).如果外設未準備好或正忙如果外設未準備好或正忙,CPU要繼續(xù)查詢要繼續(xù)查詢等待或者隔一段時間后再來查詢等待或者隔一段時間后再來查詢.如此反復進行如此反復進行,直至能直至能夠傳送數(shù)據(jù)夠傳送數(shù)據(jù).特點特點:(1)CPU通過不斷查詢外設狀態(tài)通過不斷查詢外設狀態(tài),實現(xiàn)與外設的速度匹配實現(xiàn)與外設的速度匹配(2)CPU的工作效率低的工作效率低.實現(xiàn)方法實現(xiàn)方法:當某個外設需與當某個外設需與CPU交換數(shù)據(jù)并已做好了準交換數(shù)據(jù)并已做好了準備時備時,就通過硬件電路向就通過硬件電路向CPU發(fā)出可屏蔽中斷申請發(fā)出可屏蔽中斷

20、申請,在在CPU允許中斷的情況下允許中斷的情況下(IF=1),CPU在執(zhí)行完當前指令在執(zhí)行完當前指令后后,可立即響應外設的中斷請求可立即響應外設的中斷請求,進行一次數(shù)據(jù)交換進行一次數(shù)據(jù)交換.然后然后,又返回原來的程序又返回原來的程序,去執(zhí)行斷點處的下一條指令去執(zhí)行斷點處的下一條指令. 特點特點:(1)中斷方式傳送是由中斷方式傳送是由I/O設備主動請求發(fā)起的設備主動請求發(fā)起的,免除了免除了CPU重復的查詢工作重復的查詢工作,提高了效率提高了效率,CPU對對I/O設備的請求設備的請求也響應較快也響應較快,因此中斷方式得到廣泛的應用因此中斷方式得到廣泛的應用.(2)響應過程將花費響應過程將花費CPU

21、時間時間,影響程序運行速度影響程序運行速度.響應后響應后數(shù)據(jù)的傳送還是依靠數(shù)據(jù)的傳送還是依靠CPU執(zhí)行中斷服務程序來完成執(zhí)行中斷服務程序來完成,其其速度仍受到軟件的限制速度仍受到軟件的限制. 3、中斷傳送方式、中斷傳送方式4、DMA傳送方式傳送方式現(xiàn)代的輸入、輸出設備有些速度很快現(xiàn)代的輸入、輸出設備有些速度很快,有很高的數(shù)據(jù)傳有很高的數(shù)據(jù)傳輸率輸率,例如例如10倍速光驅的數(shù)據(jù)倍速光驅的數(shù)據(jù)傳輸率就達傳輸率就達1.5MB/S,1G以以上硬盤上硬盤,數(shù)據(jù)傳輸率超過數(shù)據(jù)傳輸率超過16MB/S.CPU無論用無論用查詢方式或查詢方式或是中斷方式都不能充分發(fā)揮這些外設速度特點是中斷方式都不能充分發(fā)揮這些外設速度特點,因為因為CPU執(zhí)行指令花費的時間太長執(zhí)行指令花費的時間太長.于是就提出了在內(nèi)存和于是就提出了在內(nèi)存和外設間直接傳送數(shù)據(jù)的方式外設間直接傳送數(shù)據(jù)的方式DMA方式方式. DMA方式是在方式是在DMA控制器的控制下控制器的控制