微型計算機原理(第6章)

1、第第6章章 輸入輸入/輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)2本章內(nèi)容講授學(xué)時本章內(nèi)容講授學(xué)時4v第第6章章 輸入輸出系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng) v6.1 概述概述 v6.2 數(shù)據(jù)傳送方式數(shù)據(jù)傳送方式 v6.3 IO端口地址譯碼與讀寫控制端口地址譯碼與讀寫控制 本章重點本章重點端口分類端口分類I/O端口的地址譯碼端口的地址譯碼微型機與微型機與I/O設(shè)備的信息交換方式設(shè)備的信息交換方式456.1.1 輸入輸入/輸出接口功能輸出接口功能不同類型的外設(shè)，需要配置不同功能的接口。接口功能根不同類型的外設(shè)，需要配置不同功能的接口。接口功能根據(jù)需要有多種，復(fù)雜程度各不相同。據(jù)需要有多種，復(fù)雜程度各不相同。通常需要提供數(shù)據(jù)緩沖通常需要提供

2、數(shù)據(jù)緩沖信息格式的相容性變換信息格式的相容性變換管理數(shù)據(jù)傳送管理數(shù)據(jù)傳送進(jìn)行地址譯碼選擇設(shè)備進(jìn)行地址譯碼選擇設(shè)備電氣特性適配電氣特性適配中斷管理中斷管理時序控制時序控制等等6.1 概述概述 66.1.2 輸入輸出接口信號類型及基本結(jié)構(gòu)輸入輸出接口信號類型及基本結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)狀態(tài)狀態(tài)控制命令控制命令從含義和功能上來看，從含義和功能上來看，數(shù)據(jù)信息、控制信息和狀態(tài)數(shù)據(jù)信息、控制信息和狀態(tài)信息是各不相同的，必須分信息是各不相同的，必須分別傳送，各有通路，我們稱別傳送，各有通路，我們稱這些通路為這些通路為端口端口(PORT)，三種端口的集合就是接口。三種端口的集合就是接口。6.1 概述概述 CPU數(shù)據(jù)端

3、口數(shù)據(jù)端口控制端口控制端口狀態(tài)端口狀態(tài)端口外外部部設(shè)設(shè)備備接口電路接口電路地址地址數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)狀態(tài)狀態(tài)控制控制76.1.3 I/O端口類型端口類型三類信息分別有寄存器三類信息分別有寄存器（緩沖器）。（緩沖器）。數(shù)據(jù)端口：雙向傳輸數(shù)據(jù)端口：雙向傳輸狀態(tài)端口：單向輸入狀態(tài)端口：單向輸入控制端口：單向輸出控制端口：單向輸出各端口可獨立工作，可各端口可獨立工作，可分別尋址。分別尋址。6.1 概述概述 CPU數(shù)據(jù)端口數(shù)據(jù)端口控制端口控制端口狀態(tài)端口狀態(tài)端口外外部部設(shè)設(shè)備備接口電路接口電路地址地址數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)狀態(tài)狀態(tài)控制控制8v(1) I/O端口和存儲器統(tǒng)一編址端口和存儲器統(tǒng)一編址v(2) I/O

4、端口獨立編址端口獨立編址v統(tǒng)一編址統(tǒng)一編址把外設(shè)接口與內(nèi)存統(tǒng)一進(jìn)行編址。把外設(shè)接口與內(nèi)存統(tǒng)一進(jìn)行編址。各占據(jù)統(tǒng)一地址空間的不同部分。各占據(jù)統(tǒng)一地址空間的不同部分。優(yōu)點優(yōu)點v指令統(tǒng)一，靈活；指令統(tǒng)一，靈活；v訪問控制信號統(tǒng)一，使用同一組的訪問控制信號統(tǒng)一，使用同一組的地址地址/控制信號。控制信號。 缺點缺點v內(nèi)存可用地址空間減小內(nèi)存可用地址空間減小0地址空間(共1MB)內(nèi)存地址(960KB)I/O地址(64KB)FFFFFHEFFFFHF0000H6.1.4 I/O端口編址方式端口編址方式6.1 概述概述 9v獨立編址獨立編址外設(shè)地址空間和內(nèi)存地址空間外設(shè)地址空間和內(nèi)存地址空間相互獨立相互獨立。

5、優(yōu)點：內(nèi)存地址空間不受優(yōu)點：內(nèi)存地址空間不受I/O編址的影響編址的影響缺點：缺點：I/O指令功能較弱，使用不同的讀寫控制指令功能較弱，使用不同的讀寫控制信號信號00000H內(nèi)存地址空間內(nèi)存空間(1MB)I/O空間(64KB)FFFFHFFFFFHI/O地址空間0000H106.2.0 輸入輸出指令輸入輸出指令直接的輸入直接的輸入/ /輸出指令輸出指令間接的輸入間接的輸入/ /輸出指令輸出指令直接的輸入輸出指令直接的輸入輸出指令提供端口號。提供端口號。 如：如：ININ AL AL，50H50H ；將將5050H H端口的字節(jié)讀入端口的字節(jié)讀入ALALININ AX AX，70H70H ；分別將

6、分別將7070H H、71H71H端口的內(nèi)容讀入端口的內(nèi)容讀入ALAL、AHAHOUT 44HOUT 44H，ALAL ；將將ALAL中的內(nèi)容輸出到中的內(nèi)容輸出到4444H H端口端口OUT 80HOUT 80H，AXAX ；將將ALAL、AHAH中的內(nèi)容分別輸出到中的內(nèi)容分別輸出到8080H H、81H81H兩端口兩端口 6.2 數(shù)據(jù)傳送方式數(shù)據(jù)傳送方式 11間接的輸入輸出指令間接的輸入輸出指令 ，地址由，地址由DX指出，如：指出，如：ININ ALAL，DXDX；從從DXDX所指的端口中讀取所指的端口中讀取ININ AXAX，DXDX；從從DXDX和和DX+1DX+1所指出的兩個端口中讀取

7、所指出的兩個端口中讀取OUT DXOUT DX，ALAL；將將ALAL中的字節(jié)輸出到中的字節(jié)輸出到DXDX所指的端口中所指的端口中OUT DXOUT DX，AXAX；將將ALAL中的字節(jié)輸出到中的字節(jié)輸出到DXDX所指的端口所指的端口 中，同時將中，同時將AHAH中的字節(jié)輸出到中的字節(jié)輸出到DX+1DX+1 所指的端口中所指的端口中 6.2 數(shù)據(jù)傳送方式數(shù)據(jù)傳送方式 12輸入輸出指令輸入輸出指令注意點注意點： 只能只能用累加器用累加器作為執(zhí)行輸入輸出的機構(gòu)作為執(zhí)行輸入輸出的機構(gòu) 尋址范圍：尋址范圍：直接輸入輸出指令為直接輸入輸出指令為0255間接輸入輸出指令為間接輸入輸出指令為065 535。

8、6.2 數(shù)據(jù)傳送方式數(shù)據(jù)傳送方式 6.2 數(shù)據(jù)傳送方式數(shù)據(jù)傳送方式 CPU和輸入輸出設(shè)備之間有以下幾類信號和輸入輸出設(shè)備之間有以下幾類信號 :（1 1）數(shù)據(jù)信息）數(shù)據(jù)信息, ,又分為：又分為：數(shù)字量數(shù)字量 模擬量模擬量 開關(guān)量開關(guān)量 （2 2）狀態(tài)信息）狀態(tài)信息 （3 3）控制信息）控制信息 146.2.1 無條件傳送方式無條件傳送方式 這是一種簡單的數(shù)據(jù)傳送方式，適用于任何時候均處于這是一種簡單的數(shù)據(jù)傳送方式，適用于任何時候均處于 “準(zhǔn)備就緒準(zhǔn)備就緒” 狀態(tài)的外部設(shè)備，狀態(tài)的外部設(shè)備，CPU可以隨時執(zhí)行可以隨時執(zhí)行I/O指指令來完成數(shù)據(jù)傳送操作。令來完成數(shù)據(jù)傳送操作。v適用于適用于總是處于準(zhǔn)

9、備好狀態(tài)總是處于準(zhǔn)備好狀態(tài)的外設(shè)的外設(shè)v優(yōu)點：軟件及接口硬件簡單優(yōu)點：軟件及接口硬件簡單v缺點：只適用于簡單外設(shè)，適應(yīng)范圍較窄缺點：只適用于簡單外設(shè)，適應(yīng)范圍較窄156.2.2 條件傳送方式（程序查詢方式）條件傳送方式（程序查詢方式）查詢方式的三個環(huán)節(jié)：查詢方式的三個環(huán)節(jié)：CPU從接口中讀取狀態(tài)字從接口中讀取狀態(tài)字CPU檢測狀態(tài)字檢測狀態(tài)字傳送數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)16RD接接D7查詢方式輸入查詢方式輸入17SCAN:MOV DX,S_ADDRINAL,DXTEST AL,80HJZSCANMOV DX,D_ADDRINAL,DXNY輸入狀態(tài)信息READY？輸入數(shù)據(jù)READY（1位)數(shù)據(jù)端口（8位）狀態(tài)

10、端口（1位）數(shù)據(jù)端口地址狀態(tài)端口地址D_PORTS_PORT接口接口18接接D0“0”為空閑為空閑READY查詢方式輸出查詢方式輸出19將數(shù)據(jù)端口和狀態(tài)端口共用一個，用將數(shù)據(jù)端口和狀態(tài)端口共用一個，用SD_ADDR表示表示SCAN:MOV DX,SD_ADDR;狀態(tài)、數(shù)據(jù)共用端口狀態(tài)、數(shù)據(jù)共用端口INAL,DXTEST AL,1JNZSCANMOV AL,DATAOUTDX,ALNY輸入狀態(tài)信息BUSY？取數(shù)并輸出數(shù)據(jù)準(zhǔn)備輸出數(shù)據(jù)BUSY（1位)數(shù)據(jù)端口（8位）狀態(tài)端口（1位）數(shù)據(jù)端口地址狀態(tài)端口地址接口接口D_PORTS_PORT20v適用于外設(shè)并不總是準(zhǔn)備好，而且對傳送速適用于外設(shè)并不總是

11、準(zhǔn)備好，而且對傳送速率、傳送效率要求不高的場合。率、傳送效率要求不高的場合。vCPU在與外設(shè)交換數(shù)據(jù)前必須詢問外設(shè)狀在與外設(shè)交換數(shù)據(jù)前必須詢問外設(shè)狀態(tài)態(tài)“你準(zhǔn)備好沒有？你準(zhǔn)備好沒有？”v對外設(shè)的要求：應(yīng)提供設(shè)備狀態(tài)信息對外設(shè)的要求：應(yīng)提供設(shè)備狀態(tài)信息v對接口的要求：需要提供狀態(tài)端口對接口的要求：需要提供狀態(tài)端口v優(yōu)點：軟件比較簡單優(yōu)點：軟件比較簡單v缺點：缺點：CPU效率低，數(shù)據(jù)傳送的實時性差，效率低，數(shù)據(jù)傳送的實時性差， 速度較慢速度較慢21vCPU無需循環(huán)查詢外設(shè)狀態(tài)，而是外部設(shè)備無需循環(huán)查詢外設(shè)狀態(tài)，而是外部設(shè)備在需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時才中斷在需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時才中斷CPU正在進(jìn)行正在進(jìn)行的

12、工作，讓的工作，讓CPU來為其服務(wù)。即來為其服務(wù)。即CPU在沒有在沒有外設(shè)請求時可以去做更重要的事情，有請求外設(shè)請求時可以去做更重要的事情，有請求時才去傳輸數(shù)據(jù)，從而大大提高了時才去傳輸數(shù)據(jù)，從而大大提高了CPU的利的利用率。用率。v優(yōu)點：優(yōu)點：CPU效率高，實時性好，速度快。效率高，實時性好，速度快。v缺點：程序編制較為復(fù)雜。缺點：程序編制較為復(fù)雜。6.2.3 中斷方式數(shù)據(jù)傳送中斷方式數(shù)據(jù)傳送6.2.4 DMA數(shù)據(jù)傳送方式數(shù)據(jù)傳送方式(Direct Memory Access)DMA控制方式控制方式是一種完全由是一種完全由硬件（硬件（DMA控制器）控制器）完成輸入完成輸入/輸出操作的工作方式

13、，稱為直接存儲器存輸出操作的工作方式，稱為直接存儲器存取控制方式。取控制方式。DMA從從CPU處接管系統(tǒng)總線的控制權(quán)，使存儲處接管系統(tǒng)總線的控制權(quán)，使存儲器與高速外設(shè)之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，即外設(shè)數(shù)據(jù)器與高速外設(shè)之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，即外設(shè)數(shù)據(jù)可以直接寫入存儲器，存儲器中的數(shù)據(jù)可直接讀出可以直接寫入存儲器，存儲器中的數(shù)據(jù)可直接讀出送給外設(shè)，大大加快了數(shù)據(jù)傳送的速度。送給外設(shè)，大大加快了數(shù)據(jù)傳送的速度。23例題例題1、設(shè)狀態(tài)端口地址為、設(shè)狀態(tài)端口地址為60H，數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)端口地址為端口地址為61H，外部輸入信息準(zhǔn)備好外部輸入信息準(zhǔn)備好狀態(tài)標(biāo)志位狀態(tài)標(biāo)志位D0=1，請用查詢方式寫出讀請用查詢方式寫出讀入

14、外部數(shù)據(jù)的程序段。入外部數(shù)據(jù)的程序段。NY輸入狀態(tài)信息READY？輸入數(shù)據(jù)程序段程序段:WT1：IN AL，60H ；從狀態(tài)端口讀入狀態(tài)信息從狀態(tài)端口讀入狀態(tài)信息 AND AL，01H ；判斷判斷D0=1?JZ WT1 ；D0=0，返回再讀狀態(tài)信息返回再讀狀態(tài)信息 IN AL,，61H ；D0=1，從數(shù)據(jù)端口讀入從數(shù)據(jù)端口讀入解：分析：這是查詢輸入。流程圖：解：分析：這是查詢輸入。流程圖：24 2、設(shè)狀態(tài)端口地址為、設(shè)狀態(tài)端口地址為086H，數(shù)數(shù)據(jù)端口地址為據(jù)端口地址為085H，外設(shè)忙碌狀態(tài)外設(shè)忙碌狀態(tài)D7=1，請用查詢方式寫出請用查詢方式寫出CPU從存從存儲器緩沖區(qū)儲器緩沖區(qū)Buffer送出

15、送出1000B的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)給外設(shè)的程序段。給外設(shè)的程序段。NY輸入狀態(tài)信息BUSY？取數(shù)并輸出數(shù)據(jù)設(shè)置循環(huán)次數(shù)CX=1000設(shè)置Buffer指針SI修改Buffer指針CX-1送CXCX=0？NY數(shù)據(jù)傳送結(jié)束解：分析，這是查詢輸出。解：分析，這是查詢輸出。 要求輸出要求輸出1000字節(jié)，流程圖：字節(jié)，流程圖：25v LEA SI,Buffer；取取Buffer的有效地址送的有效地址送SIv MOV CX,1000；循環(huán)次數(shù)循環(huán)次數(shù)vW1:MOV DX, 086H ；狀態(tài)端口地址送狀態(tài)端口地址送DXv IN AL,DX ；從狀態(tài)端口讀入狀態(tài)信息從狀態(tài)端口讀入狀態(tài)信息v AND AL，80H ；

16、BUSY=0?v JNZ W1 ； BUSY=1，返回等待返回等待v MOV AL,SI ； BUSY=0，取數(shù)據(jù)取數(shù)據(jù)v MOV DX, 085H ；數(shù)據(jù)端口送數(shù)據(jù)端口送DXv OUT DX,AL ；數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)端口輸出數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)端口輸出v INC SI ；SI指向下一個字節(jié)數(shù)據(jù)指向下一個字節(jié)數(shù)據(jù)v LOOP W1 ；CX-1送送CX0，循環(huán)循環(huán)v HLT ；CX=0，傳送結(jié)束傳送結(jié)束NY輸入狀態(tài)信息BUSY？取數(shù)并輸出數(shù)據(jù)設(shè)置循環(huán)次數(shù)CX=1000設(shè)置Buffer指針SI修改Buffer指針CX-1送CXCX=0？NY數(shù)據(jù)傳送結(jié)束26 、 、 A15 A0OUT指令將使總線的指令將使總線的

17、信號有效信號有效IN指令將使總線的指令將使總線的 信號有效信號有效AEN為為“地址允許地址允許”信號，信號，ISA總線控制信號，和地址總線控制信號，和地址總線一起參加譯碼?？偩€一起參加譯碼。 例如：例如： 某外設(shè)接口有某外設(shè)接口有4個端口，地址為個端口，地址為2F0H2F3H，則，則其基地址為其基地址為2F0H，由，由A15A2譯碼得到，而譯碼得到，而A1、A0用來用來確定確定4個端口中的某一個。個端口中的某一個。IORIOWIOW IOR6.3 I/O端口地址譯碼與讀寫控制端口地址譯碼與讀寫控制 27用門電路設(shè)計口地址譯碼電路用門電路設(shè)計口地址譯碼電路28v對對1#端口的讀操作指令端口的讀操

18、作指令MOVDX,34EHINAL,DXv對對2#端口的寫操作指令端口的寫操作指令MOVDX,34EHOUTDX,AL29用譯碼器設(shè)計口地址譯碼電路用譯碼器設(shè)計口地址譯碼電路30簡單的輸入接口舉例簡單的輸入接口舉例83FCH83FFH譯碼器 K6K7+5VI0I3D0-D7DO0DO774LS244E1E2 1 A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14A15IOR系統(tǒng)總線信號 1K5K4K3K2K1K0I1I2I4I5I6I731v鎖存器：由鎖存器：由D觸發(fā)器構(gòu)成觸發(fā)器構(gòu)成通常一個器件包含通常一個器件包含8個個D觸發(fā)器觸發(fā)器常用芯片：常用芯片：74LS273、74LS37

19、4應(yīng)用例子：發(fā)光二極管接口應(yīng)用例子：發(fā)光二極管接口簡單的輸出接口舉例簡單的輸出接口舉例譯譯碼碼器器=1=1.+5VRD0D7CPQ0Q7.D0D7A0A15IOW74LS273R32輸入輸入/輸出接口綜合應(yīng)用例子輸出接口綜合應(yīng)用例子v根據(jù)開關(guān)狀態(tài)在根據(jù)開關(guān)狀態(tài)在7段數(shù)碼管上顯示數(shù)字或符號段數(shù)碼管上顯示數(shù)字或符號共陽極共陽極7段數(shù)碼管結(jié)構(gòu)段數(shù)碼管結(jié)構(gòu)用用74LS244作為輸入口，讀入開關(guān)作為輸入口，讀入開關(guān)K0K3的狀態(tài)的狀態(tài)v74LS244的地址假設(shè)為的地址假設(shè)為F1H用用74LS273作為輸出接口，把數(shù)據(jù)送到作為輸出接口，把數(shù)據(jù)送到7段數(shù)碼管段數(shù)碼管v74LS273的地址假設(shè)為的地址假設(shè)為F

20、0H當(dāng)開關(guān)的狀態(tài)分別為當(dāng)開關(guān)的狀態(tài)分別為00001111時，在時，在7段數(shù)碼管上對段數(shù)碼管上對應(yīng)顯示應(yīng)顯示0F(7段碼表見下頁段碼表見下頁)33 符號符號形狀形狀7段碼段碼.gfedcba符號符號形狀形狀7段碼段碼.gfedcba000111111801111111100000110901100111201011011A01110111301001111B01111100401100110C00111001501101101D01011110601111101E01111001700000111F0111000134F0H = 0000 0000 1111 0000F1H = 0000 0000 1111 0001O1 I1O2 I2O3 I3O4 I4E1 K0K3+5VGG2AG2BCBA1174LS244D0 Q0 | Q1D7 Q2 Q3 Q4CP Q5 Q6 Q7 abcdefgDP74068個個反相器反相器74LS273Rx81174LS138D0D7IOWIORY0Y1&1A7A4A15A