微型计算机技术及其应用第五章输入输出接口和数据传输.ppt

1,微型计算机技术及其应用 第五章：输入/输出接口和数据传输,2,第五章输入/输出接口和数据传输,输入/输出接口功能 CPU和输入输出设备间的信号 接口部件的I/O端口和寻址方式 CPU和外设间的数据传送方式,3,什么是输入/输出设备？ 计算机无论应用于何种场合，都离不开信息处理。 所处理的信息，均要由输入设备提供，而处理后的结果数据，则要送给输出设备，以各种形式报告给用户。例如，键盘、鼠标器、磁盘和扫描仪等是大家熟悉的输入设备，而磁盘、CRT显示器、打印机等则是最常见的输出设备。 能够完成输入/输出操作的设备就叫输入/输出设备，简称外设或I/O设备。,4,5,CPU与I/O设备进行信息交换时所存在问题 外部设备从工作原理来讲可分为机械式、电动式、电子式和其它形式等几类。它们对所传输的信息的要求也各不相同，这就给计算机和外设之间的信息交换带来以下一些问题： (1)速度不匹配：CPU的速度很高，而外设的速度要低得多，而且不同的外设速度差异甚大，它们之中既有每秒钟能传送兆位数量级的硬磁盘，也有每秒钟只能打印百位字符的串行打印机或速度更慢的键盘。 (2)信号电平不匹配：CPU所使用的信号都是TTL电平，而外设大多是复杂的机电设备，往往不能用TTL电平所驱动，必须有自己的电源系统和信号电平。,6,(3)信号格式不匹配：CPU系统总线上传送的通常是8位、16位或32位的并行数据，而各种外设使用的信息格式各不相同。有些设备上用的是模拟量，而有些是数字量或开关量；有些设备上的信息是电流量，而有些却是电压量，有些设备采用串行方式传送数据，而有些则用并行方式。 (4)时序不匹配：各种外设都有自己的定时和控制逻辑，与计算机的CPU时序不一致。,7,因此要实现外部设备与主机之间的连接和信息交换，必须经过一个数据转换和传输设备。这种设备我们称为I/O接口(interface)。,8,第五章：输入/输出接口和数据传输接口功能,输入/输出接口及其功能 I/O接口：是指把外设同微型计算机连接起来实现数据传送的中间控制电路。接口的功能有： (1)数据格式转换功能(串/并转换)； (2)联络功能(协调数据传送的状态信息)； (3)速度匹配功能； (4)寻址功能；,9,CPU和外设之间需要交换三种信息 数据信息：送入CPU进行加工处理的信息或输出到外设的运算结果。 数字量：通常由键盘、磁盘驱动器等读入的信息，或由CPU送给打印机、磁盘驱动器、显示器或绘图仪的信息。它们是二进制形式数据或ASCII码表示的数据及字符。 模拟量：当微型计算机用于控制时，多数情况下的输入信息是现场连续变化的物理量，它们常常需要被转化成电压或电流信号，然后进行模拟/数字(A/D)转换，变成数字量，送入计算机。相反，输出控制时又要将数字量转换成模拟量(D/A)来驱动被控对象。,10,CPU和外设之间需要交换三种信息 开关量：开关量可以表示两个状态，如开关的通、断，电机的启动和停止等。常常可以把一组开关量组成一个数字量，以便于计算机的处理。 控制信息：是CPU发出的，用以控制外设的工作方式或外设的启动和停止。 状态信息：反映了外设当前所处的工作状态，是外设通过接口送给CPU的信号。,11,CPU和外设之间需要交换三种信息 CPU与外设之间不是直接交换数据、控制、状态信息，而是通过接口间接传送的。以上三种信息在形式上都是二进制代码，都是通过DB来传送的，分别放在接口内不同的端口中。而接口对DB上数据识别其类型是根据相应的端口地址来进行。,12,第五章：输入/输出接口和数据传输I/O端口和寻址方式,接口部件的I/O端口 CPU与外设进行数据传输时，传送的信息主要包括数据信息、状态信息和控制信息。在接口电路中，这些信息分别进入不同的寄存器，通常将这些寄存器和它们的控制逻辑统称为I/O端口 。 I/O端口：是指I/O接口中CPU可以读/写的寄存器。一般接口通常有数据端口、控制端口、状态端口。,13,接口部件的I/O端口 数据端口：用来存放外设送往CPU的数据或CPU要输出到外设去的数据。这些数据是主机和外设之间交换的最基本的信息，长度一般为1-2字节，数据端口主要起数据缓冲的作用。 状态端口：用来指示外设的当前状态。每种状态用1位表示，每个外设可以有几个状态位，用于测试或检查外设的状态，进而决定程序的流程。 控制端口：用来存放CPU向接口发出的各种命令和控制字，以便控制接口或设备的动作。常见的命令信息位有启动位、停止位、允许中断位等。接口芯片不同，控制字的格式和内容就不同，常见的控制字有方式选择控制字，操作命令字等。,14,I/O端口的寻址方式 CPU对外设进行访问实质上是对I/O接口电路中相应的端口进行访问，因此和存储器那样，也需要由译码电路来对I/O端口进行寻址。I/O端口的编址方式有两种：存储器映象编址方式和独立编址方式。 存储器映像编制方式：在这种编址方式中，将外设接口地址和内部存储器地址统一安排在内存的地址空间中。即把内存地址分配给外设，由外设来占用这些地址。用于外设的这些地址，存储器不能再使用。,15,I/O端口的寻址方式 独立编制方式：在这种编址方式中，内存地址空间和外设地址空间是相互独立的。例如，在8086CPU中，内存地址是连续的1M字节，从00000HFFFFFH，而外设的地址范围从0000HFFFFH。它们相互独立，互不影响。,16,第五章：输入/输出接口和数据传输I/O端口和寻址方式,I/O端口的寻址方式,17,第五章：输入/输出接口和数据传输数据传送方式,在计算机的操作过程中，最基本以及最大量的操作就是数据传送。 在微机系统中，数据主要在CPU、存储器和I/O接口之间传送。 在数据传送过程中，关键问题是数据传送的控制方式，微机系统中的数据传送的控制方式主要有软件传送方式(程序控制方式)和硬件传送方式(主要是DMA直接存储器存取)方式。 其中，程序控制方式又包括：无条件传送方式、查询传送方式和中断传送方式。,18,无条件传送方式 无条件传送方式也称为同步传送方式，主要用于对简单外设进行操作，或者外设的定时是固定的或已知的场合。 这类外设在任何时刻均已准备好数据或处于接收数据状态，或者在某些固定时刻，它们处在数据就绪或准备接收状态。 因此程序可以不必检查外设的状态，而在需要进行输入或输出操作时，直接执行输入输出指令。,19,无条件传送方式 无条件传送方式一般用于控制CPU与低速接口之间的信息交换。例如开关、温度、压力流量等(A/D)转换器。 当需要采集这些数据时，外设已经将数据准备就绪，无需检查端口的状态，就可以立即采集数据。 由于数据保持时间相对于CPU的处理时间长得多，故输入端可直接用输入缓冲器与CPU的数据总线相连。 若外设是输出设备，则要求接口有锁存能力，也就是CPU送给外设的数据应该在接口中保持一段时间，直到外设做好数据接收准备。,20,无条件传送方式 【例】发光二极管驱动.此外设的接口是用锁存器来实现的。锁存器在脉冲CP上升沿将输入端D的数据锁存在它的输出Q端。编写点亮二极管的程序。 （端口地址为0000H）,MOV AL,81H MOV DX,0000H;送端口地址 OUT DX,AL ;点亮发光二极管,21,无条件传送方式 【例】类似于上例，让接在Q0Q7上的二极管自上而下轮流点亮3s，编写程序实现。 MOV AL,01H ;使Q0为1，LED0先亮 LOP: OUT 0000H,AL ;将信息送0000H端口 CALL DELAY ;调用延时3S子程序 ROL AL,1 ;小循环左移1位 JMP LOP ;循环点亮LED,22,第五章：输入/输出接口和数据传输数据传送方式,查询传送方式 查询传送也称条件方式传送，用查询方式传送时，CPU通过执行程序不断读取并测试外设的状态，如果外设处于准备好状态(输入设备)或者空闲状态(输出设备)，则CPU执行输入指令或输出指令与外设交换信息。因此，接口电路除了有传送数据的端口，还要求有传送状态的端口。,23,第五章：输入/输出接口和数据传输数据传送方式,查询传送方式 对于查询传送方式，一个数据传送过程由以下3个环节组成： CPU从接口中读取状态字； CPU检测状态字的对应位是否对应“就绪”状态，如果不满足，则回到前一步读取状态字； 如状态字表明外设已处于“就绪”状态，则传送数据。,24,查询传送方式,25,查询传送方式,26,【例】将48000H为首地址的顺序100个单元的数据，利用查询方式输出到外设。通过三态接口(74LS244)可以查询外设的状态：1）当外设状态信号=1时，可以接收CPU由锁存器(74LS273)输出的数据。 2）=0时，表示外设处于忙状态，不能接收数据。（两个端口地址都是00FFH）,27,查询传送方式 START: MOV AX,4000H MOV DS,AX MOV SI,8000H MOV CX,100 GOON: MOV DX,00FFH WAIT: IN AL,DX AND AL,01H JZ WAIT MOV AL,SI OUT DX,AL INC SI LOOP GOON RET,28,1）当有多个外设时，CPU逐个外设进行查询。哪个外设准备就绪，就对该外设实施数据传送。然后再对下一外设查询，依次循环。 2）在查询过程中，CPU不能做别的事情，这就大大降低了CPU的效率。而且，假如某一外设刚好在查询过后处于就绪状态，那么它必须等到CPU查询完所有外设，再次查询此外设时才能发现它处于就绪状态，这样就不能对外设进行实时数据交换。,29,查询传送方式 优点：接口电路和程序设计都较为简单，容易实现。 缺点：CPU外设不能并行工作，CPU的效率低，外设得不到及时响应。 适用场合：这种传送方式适用于一般工作速度较慢的外设，特别是外设数量不多，实时性要求不高的场合。,30,中断传送方式 在每次外设准备好或空闲时，主动向CPU发出中断请求，以示要传送数据，CPU响应该请求后，执行中断服务程序，实现与外设的数据传送。其工作过程如下： 暂停主程序，实现程序的转移，即中断响应； 保护和恢复有关寄存器的内容； 执行I/O操作，并实现内存累加器端口之间的传送； 中断返回。,31,中断传送方式,32,中断传送方式 优点：系统的工作效率高，CPU、I/O设备可以并行工作，外设可以主动向CPU请求，能够得到CPU的及时响应。 缺点：每次传送数据，CPU都要做许多额外的工作，传送速度仍然不是很快。 适用场合：这种方式适用于一般工作速度不是很快的外设，特别是实时控制、检测场合。,33,DMA(Direct Memory Access)控制方式 中断控制方式虽然克服了查询方式的缺点，能够快速响应I/O传送的请求，但是I/O设备的服务仍然是由软件实现，为完成一个字节(字)的数据传送，CPU必须执行很多额外的工作。 当要求快速进行数据传送的场合，执行上述过程已无法满足系统实时性的要求。这时可以采用直接存储器存取，由DMA控制器实现外设存储器间的直接传送。,34,DMA(Direct Memory Access)控制方式 采用DMA方式传送数据时，需要专