第6章 输入输出接口技术

1,第6章输入/输出接口技术,本章主要教学内容输入/输出接口的概念和功能CPU与输入/输出接口之间传递的信息类型CPU与外部设备之间数据传送方式的基本原理、特点及应用,2,6.1概述输入/输出通常是指计算机与外部设备之间的信息交换。在微型计算机中，各种外部设备与计算机之间的通信是通过接口实现的，接口部件起着数据缓冲、隔离、数据格式交换、寻址、同步联络和定时控制等作用。6.1.1输入/输出接口的概念与功能1.输入/输出接口的概念计算机要处理的原始数据、现场采集到的信息以及程序等都是通过输入设备送入计算机，计算机的计算结果和各种工业现场控制的信号要输出到各种输出设备，以便进行显示、打印和实现各种控制操作。,第6章,输入/输出接口技术,3,第6章,输入/输出接口技术,2.输入/输出接口的功能计算机的输入/输出接口应该具备下述功能：（1）寻址（2）输入/输出（3）数据转换（4）联络（5）中断管理（6）复位及初始化（7）可编程（8）检测错误,4,输入/输出接口技术,6.1.2CPU与I/O接口之间传递的信息类型计算机的CPU与一个I/O设备进行信息交换时，通常需要数据信息、状态信息和控制信息，其信息的传递关系如图6-1所示。,第6章,图6-1CPU与I/O接口间传递的信息,5,6.1.3I/O端口的编址方式外设通过接口和系统连接如图6-2所示。接口中的寄存器叫做端口，每一个端口有端口地址。数据端口用于对来自CPU和外设的数据起缓冲作用；状态端口用来存放外设或者接口部件本身的状态，CPU通过对状态端口的访问和测试可以知道外设或接口的当前状态；控制端口用来存放CPU发出的控制信息，以便控制接口和外设的动作。,输入/输出接口技术,第6章,6,输入/输出接口技术,第6章,图6-2外设通过接口与系统的连接,7,在微机系统中，I/O端口的地址编排大都采用独立编址方式，其地址空间独立于存储器，不占用存储空间，该编址方式下CPU访问I/O端口要采用专用的I/O指令。独立编址方式的主要优点是可以节省内存空间，由于系统需要的I/O端口寄存器一般比存储器单元要少得多，故I/O地址线较少，因此I/O端口地址译码较简单，寻址速度较快。其缺点是由于专用I/O指令类型少，不如访问存储器的指令丰富，程序设计的灵活性较差。,输入/输出接口技术,第6章,8,6.2CPU与外设间数据传送方式CPU与外设之间的数据传送方式通常有：无条件传送方式查询传送方式中断传送方式DMA传送方式I/O处理机方式,输入/输出接口技术,第6章,9,6.2.1无条件传送方式指可以在需要的时刻让CPU直接与外设进行输入/输出操作，CPU不必查询外设的状态，通过I/O指令即可由接口获取外设数据或为外设提供数据。无条件传送方式的原理参见图6-3所示。,输入/输出接口技术,第6章,10,输入/输出接口技术,第6章,图6-3无条件传送方式工作原理,11,6.2.2查询传送方式查询传送也称为条件传送，该方式要求CPU在执行I/O指令传送数据之前，通过执行程序不断地读取并测试外设的状态，当外设准备好时才进行数据传送。在查询传送方式中，完成一个数据传送的过程是：CPU用输入指令从接口中的状态端口读取状态字；然后测试所读取状态字的相应状态位是否满足数据传输的条件；如果状态位表明外设已做好准备，即可进行传送数据的操作。其工作流程如图6-4所示。,输入/输出接口技术,第6章,12,输入/输出接口技术,第6章,图6-4查询传送方式的工程流程,13,6.2.3中断控制方式在中断传送方式下，CPU与外设实现了并行工作。当外设要求数据交换时可向CPU发出中断请求，CPU响应后中断当前任务的执行，转入相应的中断处理服务程序，之后再恢复被中断程序的执行。这种中断方法使CPU可同时管理多个外设的工作，能够进行多任务和实时处理。采用中断控制方式时，CPU正常执行主程序，当有外设进行中断请求后，CPU响应中断会暂停执行当前的程序，转去执行外设的中断服务程序，使用I/O指令可在CPU和外设之间进行一次数据交换，操作完成之后CPU返回执行原来的主程序。,输入/输出接口技术,第6章,14,6.2.4DMA控制方式DMA传送方式又称为直接存储器存取方式，是在存储器与外设之间开辟一条高速数据通道，使外设与内存之间直接交换数据。数据通道通过DMA控制器来实现。在DMA传送期间，不需要CPU的任何干预，而是由DMA控制器控制系统总线，在其控制下完成数据传输任务。DMA传送方式是把外设与内存交换信息的操作与控制交给了DMA控制器，简化了CPU对输入/输出的控制。显然，这种方式电路结构复杂，硬件开销大。DMA控制方式的传送原理如图6-7所示。,输入/输出接口技术,第6章,15,第6章,图6-7DMA传送原理示意图,16,6.2.5I/O处理机方式对于有大量外设的微机系统来说，CPU对外设的管理任务很重，为了提高整个系统的效率，CPU需要摆脱对I/O设备的直接管理和频繁的输入/输出业务。于是就出现了专门用来处理输入/输出的I/O处理机（IOP）方式。该方式中，专用I/O处理器能够直接存取系统主存储器，当CPU需要进行I/O操作时，就在内存中建立一个信息块，通知I/O处理器来读取，专用I/O处理器（例如Intel8089就是一种专门配合Intel8086而使用的I/O处理器芯片）在操作控制信息的作用下，自动完成全部的输入/输出操作。,输入/输出接口技术,第6章,17,数据信息、状态信息和控制信息是CPU与I/O设备之间要传送的主要信息，各种外部设备与计算机之间的通信是通过接口实现的。接口是指CPU和存储器、外部设备或者两种外部设备之间，或者两种机器之间通过系统总线进行连接的逻辑部件，是CPU与外界进行信息交换的中转站。接口技术是采用硬件与软件相结合的方法来研究微处理器如何与外部设备进行最佳匹配，以实现CPU与外界高效、可靠的信息交换的一门技术。CPU与外设之间的数据传输必须采用多种控制方式，才能满足各类外设的要求。在微机中可采用的输入/输出控制方式主要有程序传送方式（包括无条件传送方式和查询传送方式）、中断传送方式、DMA传送方式和I/O处理机方式。,输入/输出接口技术小结,第6章,18,输入/输出接口技术小结,第6章,程序传送方式进行数据交换时通过软件来实现，方法比较灵活，但CPU要不断地执行指令并等待外设准备就绪，使CPU的工作效率降低。中断传送方