笫6章輸入輸出接口ch06課件

第6章輸入/輸出接口

7/29/20231本章要點I/O接口概述I/O端口及其編址方式CPU與I/O接口之間的數(shù)據(jù)交換方式輸入/輸出接口芯片7/29/20232>>微機原理<<6.1I/O接口概述微型計算機廣泛應(yīng)用于過程控制信息處理數(shù)據(jù)通信計算機各種外設(shè)可靠地進行信息交換關(guān)鍵輸入/輸出接口7/29/20233>>微機原理<<6.1I/O接口概述計算機硬件系統(tǒng)組成中央處理器內(nèi)存儲器輸入/輸出設(shè)備接口電路通用微型計算機的硬件系統(tǒng)由中央處理器(CPU)、內(nèi)存儲器(RAM和ROM)、輸入/輸出設(shè)備(I/O設(shè)備)及其接口電路組成。7/29/20234>>微機原理<<6.1I/O接口概述計算機接口的位置和概念7/29/20235>>微機原理<<6.1I/O接口概述1.I/O接口的基本功能

I/O設(shè)備是用來實現(xiàn)人機交互的機電設(shè)備。按工作方式可分為機械式、電子式和光學(xué)式等；按工作速度可分為高速的和低速的；按信號類型可以是數(shù)字量、模擬量(電壓或電流信號)或開關(guān)量等。7/29/20236>>微機原理<<6.1I/O接口概述 為了協(xié)調(diào)CPU與外設(shè)之間的這些矛盾，I/O接口應(yīng)具備以下功能：1.數(shù)據(jù)緩沖功能2.信號轉(zhuǎn)換功能3.端口選擇功能4.接收和執(zhí)行CPU命令的功能5.中斷管理功能6.可編程功能7/29/20237>>微機原理<<6.1I/O接口概述2.I/O接口的基本組成 把數(shù)據(jù)緩沖/鎖存器、讀/寫/中斷控制邏輯、端口地址譯碼、數(shù)據(jù)端口、控制端口和狀態(tài)端口等電路組合起來，就構(gòu)成了一個簡單的I/O接口電路。 它一方面與地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線相連接，另一方面又與外部設(shè)備相連。7/29/20238>>微機原理<<6.1I/O接口概述I/O接口的基本結(jié)構(gòu)7/29/20239>>微機原理<<(1).CPU和I/O設(shè)備之間交換的信息有數(shù)據(jù)信息、和狀態(tài)信息.控制信息

數(shù)據(jù)信息-------數(shù)字量,模擬量和開關(guān)量

狀態(tài)信息-------外設(shè)所處的狀態(tài),由I/O口將狀息送往CPU

控制信息-------CPU通過I/O送往外設(shè),控制外設(shè)的信息7/29/202310>>微機原理<<(2).I/O接口基本結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)接口、和狀態(tài)接口.控制接口地址譯碼端口：地址譯碼是I/O接口的基本功能之一，譯碼電路收到與本接口有關(guān)的地址后產(chǎn)生相應(yīng)的選通信號，對相關(guān)端口進行數(shù)據(jù)、命令或狀態(tài)的傳輸，完成一次I/O操作數(shù)據(jù)緩沖/鎖存器：在CPU與I/O設(shè)備之間進行輸入/輸出操作時，輸入需要緩沖，輸出需要鎖存。7/29/202311>>微機原理<<

6.2I/O端口及內(nèi)存的編址方式7/29/202312>>微機原理<<6.2 I/O端口及其編址方式 計算機系統(tǒng)通過一組總線來連接系統(tǒng)的各個功能部件，包括CPU、內(nèi)存和I/O端口，各功能部件之間的信息交換通過總線來進行，如何區(qū)分不同內(nèi)存單元和I/O端口，是輸入/輸出編址方式所要討論和解決的問題。7/29/202313>>微機原理<<6.2 I/O端口及其編址方式

CPU與I/O接口進行通信是通過I/O接口內(nèi)部的一組寄存器實現(xiàn)的，這些寄存器稱為I/O端口。

CPU通過數(shù)據(jù)端口從外設(shè)讀入數(shù)據(jù)或向外設(shè)輸出數(shù)據(jù)，通過狀態(tài)端口讀入設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)，通過控制端口向外設(shè)發(fā)出控制命令。I/O端口數(shù)據(jù)端口狀態(tài)端口控制端口7/29/202314>>微機原理<<6.2 I/O端口及其編址方式 根據(jù)計算機系統(tǒng)的不同，輸入/輸出端口的編址方式通常有兩種形式：一種是I/O端口與內(nèi)存統(tǒng)一編址；另一種是I/O端口與內(nèi)存獨立編址。I/O端口與內(nèi)存統(tǒng)一編址I/O端口與內(nèi)存獨立編址I/O端口編址方式7/29/202315>>微機原理<<6.2 I/O端口及其編址方式1.I/O端口與內(nèi)存統(tǒng)一編址 這種編址方式又稱為存儲器映射編址方式，是從存儲器空間劃出一部分地址給I/O端口，即把每個I/O端口當(dāng)作一個存儲單元，I/O端口與內(nèi)存單元被安排在同一個地址空間中，CPU與外設(shè)的數(shù)據(jù)交換，相當(dāng)于對存儲器的讀/寫操作，不設(shè)置專門的I/O指令。

7/29/202316>>微機原理<<6.2 I/O端口及其編址方式I/O端口與內(nèi)存單元統(tǒng)一編址示意圖統(tǒng)一編址內(nèi)存I/O端口7/29/202317>>微機原理<<6.2 I/O端口及其編址方式2.I/O端口與內(nèi)存獨立編址

這種編址方式稱為I/O映射編址方式，內(nèi)存和I/O端口有各自獨立的地址空間。 以8086/8088為例，訪問內(nèi)存儲器使用20根地址線A0~A19，內(nèi)存地址范圍00000H~FFFFFH，總共可尋址220=1M

而訪問I/O端口時使用低16根地址線A0~A15，I/O端口的地址范圍為0000H~FFFFH，總共可尋址216=64K個8位端口。7/29/202318>>微機原理<<6.2 I/O端口及其編址方式I/O端口與內(nèi)存單元獨立編址示意圖獨立編址內(nèi)存單元I/O端口7/29/202319>>微機原理<<

6.3CPU與I/O接口之間的數(shù)據(jù)交換方式7/29/202320>>微機原理<<6.3CPU與I/O接口之間的數(shù)據(jù)交換方式

CPU與各種不同的外設(shè)進行數(shù)據(jù)傳送，采用不同的控制方式，概括起來有以下幾種方式：程序控制方式、中斷方式和DMA方式。數(shù)據(jù)交換方式程序控制方式中斷方式DMA方式7/29/202321>>微機原理<<6.3CPU與I/O接口之間的數(shù)據(jù)交換方式1.程序控制方式 程序控制方式是指在程序控制下進行數(shù)據(jù)傳送，又分為無條件傳送和條件傳送。

7/29/202322>>微機原理<<6.3CPU與I/O接口之間的數(shù)據(jù)交換方式無條件傳送外設(shè)總被認(rèn)為已處于準(zhǔn)備就緒或準(zhǔn)備接收狀態(tài)，程序不必查詢外設(shè)的狀態(tài)，當(dāng)需要與之交換數(shù)據(jù)時，直接執(zhí)行輸入、輸出指令，就開始發(fā)送或接收數(shù)據(jù)條件傳送在傳送數(shù)據(jù)之前，CPU要執(zhí)行查詢程序去查詢外設(shè)的當(dāng)前狀態(tài)，只有當(dāng)外設(shè)處于準(zhǔn)備就緒(輸入設(shè)備)或空閑狀態(tài)(輸出設(shè)備)時，才執(zhí)行輸入或輸出指令進行數(shù)據(jù)傳送，否則，CPU循環(huán)等待，直到外設(shè)準(zhǔn)備就緒為止7/29/202323>>微機原理<<6.3CPU與I/O接口之間的數(shù)據(jù)交換方式2.中斷方式 雖然查詢方式比無條件傳送要可靠，但在查詢方式中，CPU處于主動地位，它要不斷地讀取狀態(tài)字來檢測外設(shè)狀態(tài)，CPU效率很低，特別是當(dāng)系統(tǒng)中有多個外設(shè)時，外設(shè)的工作速度各不相同，顯然，CPU不能及時滿足外設(shè)提出的輸入/輸出服務(wù)的要求，實時性較差。7/29/202324>>微機原理<<6.3CPU與I/O接口之間的數(shù)據(jù)交換方式 為了提高CPU的利用率和使系統(tǒng)具有較好的實時性，可采用中斷傳送方式。改CPU的主動查詢?yōu)楸粍禹憫?yīng)中斷方式的特點7/29/202325>>微機原理<<6.3CPU與I/O接口之間的數(shù)據(jù)交換方式輸入設(shè)備準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)或輸出設(shè)備處于空閑時向CPU發(fā)出中斷申請信號，請求CPU為它們服務(wù)(輸出數(shù)據(jù)或從接口讀取數(shù)據(jù))CPU暫時中斷當(dāng)前正在執(zhí)行的程序(即主程序)轉(zhuǎn)去執(zhí)行為輸入/輸出設(shè)備服務(wù)的中斷處理程序

123服務(wù)完畢，CPU返回到被中斷的程序處繼續(xù)執(zhí)行

7/29/202326>>微機原理<<7/29/202327>>微機原理<<6.3CPU與I/O接口之間的數(shù)據(jù)交換方式3.DMA方式 采用中斷控制方式，每傳送一個數(shù)據(jù)，CPU就要執(zhí)行一次中斷操作，CPU要暫停當(dāng)前程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，而執(zhí)行中斷服務(wù)程序的前后以及執(zhí)行過程中，要做很多輔助操作，如保護現(xiàn)場，保護斷點，返回前要恢復(fù)現(xiàn)場和恢復(fù)斷點。7/29/202328>>微機原理<<6.3CPU與I/O接口之間的數(shù)據(jù)交換方式 中斷方式對于高速外設(shè)不能滿足傳送速率上的要求。提出了一種新的傳送控制方法DMA方式

7/29/202329>>微機原理<<6.3CPU與I/O接口之間的數(shù)據(jù)交換方式DMA方式的基本思路是外設(shè)與內(nèi)存間的數(shù)據(jù)傳送不經(jīng)過CPU，傳送過程也不需要CPU干預(yù)，在外設(shè)和內(nèi)存間開設(shè)直接通道由一個專門的硬件控制電路來直接控制外設(shè)與內(nèi)存間的數(shù)據(jù)交換。從而提高傳送速度和CPU的效率，CPU僅在傳送前后及傳送結(jié)束后花很少的時間做一些善后處理。這種方法就是直接存儲器存取方式，簡稱DMA方式7/29/202330>>微機原理<<6.3CPU與I/O接口之間的數(shù)據(jù)交換方式DMA控制器的工作模式單字節(jié)傳送模式請求傳送模式級聯(lián)傳送模式成批傳送模式7/29/202331>>微機原理<<6.3CPU與I/O接口之間的數(shù)據(jù)交換方式DMA操作過程準(zhǔn)備階段DMA控制器接受CPU對其進行初始化。設(shè)置存儲器的地址、傳送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，工作模式和傳送方向以及對相關(guān)的各接口電路初始化設(shè)置數(shù)據(jù)傳送階段傳送結(jié)束階段DMA控制器在傳送完成后向CPU發(fā)出結(jié)束信號，以便CPU撤消總線允許信號收回總線控制權(quán)。7/29/202332>>微機原理<<

小結(jié)：

1.掌握I/O接口的基本概念及基本功能

2.I/O接口和內(nèi)存的兩種編址方式特點及應(yīng)用；

3.數(shù)據(jù)傳送方式的三種模式的特點及應(yīng)用重點掌握中斷傳送方式的應(yīng)用及傳送工作原理。作業(yè)：

P2011.一3題

2.CPU與I/O接口之間數(shù)據(jù)傳送方式有哪三種？為什么說中斷方式是應(yīng)用最廣泛的一種方式？7/29/202333>>微機原理<<

6.4

輸入/輸出接口芯片7/29/202334>>微機原理<<1.I/O接口芯片及不可編程簡單I/O接口定義2.不可編程簡單I/O接口定義3.串行和并行接口定義7/29/202335>>微機原理<<6.4輸入/輸出接口芯片幾種常用的輸入/輸出接口芯片從功能和速度分類74XXX—標(biāo)準(zhǔn)TTL74LSXXX—低功耗肖特基型TTL74LXXX—低功耗TTL74SXXX—肖特基型TTL74ALSXXX—高性能型TTL74FXXX—高速型TTL7/29/202336>>微機原理<<緩沖器(線驅(qū)動器)74LS2441.外特性(輸出分/1G與1Y1~1Y4;/2G與1Y1~1Y4)2.真值表輸入輸出/GAYLLLLHHH×Z7/29/202337>>微機原理<<6.4輸入/輸出接口芯片緩沖器(三態(tài))74LS244輸入輸出/GAYLLLLHHH×Z1.引腳圖2.真值表7/29/202338>>微機原理<<6.4輸入/輸出接口芯片總線收發(fā)器(三態(tài))74LS245引腳圖真值表/G(/OE)DIR操作LLBtoALHAtoBH×隔離控制端使能端7/29/202339>>微機原理<<

輸出TTL芯片7/29/202340>>微機原理<<6.4輸入/輸出接口芯片1.鎖存器74LS373(8D觸發(fā)器)引腳圖真值表輸出允許輸入輸出/OCCDQLHHHLHLLLL×Q0H××Z7/29/202341>>微機原理<<6.4輸入/輸出接口芯片2.鎖存器74LS374(8D)引腳圖真值表輸入時鐘輸出/OCCLKDQL↑HHL↑LLLL×Q0H××Z輸出允許7/29/202342>>微機原理<<6.4輸入/輸出接口芯片3.帶總清的鎖存器74LS273引腳圖真值表輸入輸出CLEARCLKDQL××LH↑HHH↑LLHL×Q0總清端7/29/202343>>微機原理<<6.4輸入/輸出接口芯片4.帶允許輸出的鎖存器(8D)74LS377引腳圖真值表輸入輸出/GCLKDQH××Q0L↑HHL↑LL×L×Q0不變高電平低電平7/29/202344>>微機原理<<

6.5小型案例分析7/29/202345>>微機原理<<6.5小型案例分析

(1)74LS244、74LS245、74LS373在微型計算機系統(tǒng)中的應(yīng)用(為什么引用)

1).數(shù)據(jù)總線的分離及驅(qū)動在8086系統(tǒng)中，CPU的地址／數(shù)據(jù)和地址／狀態(tài)總線是分時復(fù)用，必須在CPU總線和系統(tǒng)總線之間加入相應(yīng)的電路，實現(xiàn)地址和數(shù)據(jù)總線的分離及驅(qū)動；

2).CPU的相應(yīng)操作同時要求在加入相應(yīng)的電路后CPU仍能進行常規(guī)的存儲器讀寫，I/O讀寫、中斷響應(yīng)、總線請求響應(yīng)(HL