数字量输入输出控制方式概要PPT课件

.,1,数字量的输入输出控制方式,一、典型的数字量输入/输出接口电路二、CPU对数字量输入/输出的控制方式,.,2,第一节概述,I/O信号的形式,一数据信息,数字量二进制形式的数据，或是已经过编码的二进制形式的数据。最小单位为“位”(bit)，8位称为一个字节(BYTE)。,2.模拟量模拟量信号不能直接进入计算机，必须经过A/D(模拟/数字)转换器，把模拟量转换成数字量，才能输入计算机。当外部设备需要模拟量信号控制时，D/A(数字/模拟)转换器又能把数字量转换成模拟量信号。,3.开关量开关量信号只有两种状态，即“开”或“闭”。这样，只要用一位二进制数就可表示。,.,3,二状态信息反应当前外设的工作状态，是外设通过接口往CPU传送的。,三控制信息是CPU通过接口传送给外设的，CPU通过发送控制信息控制外设的工作。,.,4,I/O接口,在计算机中，介于CPU与外设间，实现硬件连接和软件通讯的装置。,一、I/O接口的作用,对信息的传输形式进行变换。（模数转换和数模转换）电平转换和放大I/O定向串并转换及并串转换锁存和缓冲,.,5,二、I/O接口的构成,.,6,(1)I/O端口概念：CPU与外设进行数据传输时，各类信息在接口进入不同的寄存器，一般称这些寄存器为I/O端口。分类：数据端口，状态端口，控制端口。,.,7,(2)I/O端口的编址方式,存储器映射方式(统一编址方式)优点：使用MEM操作指令，不需专用的I/O指令，指令丰富，使I/O功能更加灵活。缺点：MEM容量减小，MEM指令长度一般比专用I/O指令长。,I/O映射方式(独立编址方式)缺点：访问I/O需要专门的I/O指令，指令少，访问不灵活。优点：不需要占用存储器空间，指令长度短，执行速度快。,.,8,一.直接传送方式适用于总是处于准备好状态的外设优点：软件及接口硬件简单缺点：只适用于简单外设，适应范围较窄,I/O的控制方式,.,9,二.查询传送方式,概念(2)三环节CPU从接口中读取状态字CPU检测状态字如果外设处于就绪状态，传送数据,查询式输入的接口电路,.,10,数字量的输入输出控制方式,一、典型的数字量输入/输出接口电路外部设备与CPU交换信息必须通过输入/输出接口电路。输入/输出的信息有数据、状态和控制三类不同的信息，为了区别不同类型的信息需设置不同的端口。因此一个典型的数字量输入/输出接口电路必须包括数据端口、状态端口和控制端口,如图2-27所示。,.,11,数字量的输入输出控制方式,图2-27典型的数字量输入/输出接口电路,选通不同端口,选择某个外设,决定信息读写,.,12,数字量的输入输出控制方式,二、CPU对数字量输入/输出的控制方式同步传递方式、查询传递方式、中断控制方式和直接存储器访问方式（1）同步传递方式（无条件程序控制方式）这种控制方式只适合于CPU与比较简单而且其数据状态变化速度缓慢或变化速度是固定的外设交换信息时采用。如：7段码显示、开关、隔离开关、断路器、继电器、发光二极管等。CPU与外设传送数据时必须保证同步，即执行输入命令时，外设一定是准备好的，执行输出操作时，外设一定是空的。,.,13,数字量的输入输出控制方式,图2-28同步传递输入方式,图2-29同步传递输出方式,问题：什么是缓冲器？什么是锁存器，二者有何区别？,.,14,数字量的输入输出控制方式,（2）查询传递方式（条件传递方式）一些数据变化不规则的外设，如果传送数据时，CPU不与外设同步，则传送数据便要出错，为此采用查询传送方式。查询传送方式能使CPU能与各种速度的外设配合工作。查询的优点：在简化硬件接口的情况下，传送数据更加准确，控制程序容易编制。缺点：CPU需要不断的查询外设的状态，占用了CPU的工作空间。适用于CPU与单个或较少外设交换信息。,.,15,数字量的输入输出控制方式,图2-30查询式输入接口电路,图2-31查询式输入程序流图,.,16,数字量的输入输出控制方式,图2-32查询式输出接口电路,图2-33查询式输出程序流图,.,17,数字量的输入输出控制方式,（3）中断控制方式能提高CPU工作效率和及时处理外设的请求，可与多个外设同时工作。中断：指CPU暂时中止其正在执行的程序，转至执行请求中断的某个外部设备或事件的服务、程序，待处理完毕后再返回原来中止的程序顺序进行（程序在执行过程中由于外界的原因而中间打断的情况）称中断。,.,18,数字量的输入输出控制方式,当CPU需要与外设交换信息时，若外设要输入CPU的数据已准备好，存放于寄存器中，或在输出时，若外设已把数据取走，即输出寄存器已空，则由外设向CPU发出中断请求，CPU接到外设的申请后，若没有更重要的处理，CPU就暂停当前执行的程序（即实现中断），转去执行输入或输出操作（称中断服务），待输入或输出操作完成后即返回，CPU再继续执行原来的程序。,.,19,数字量的输入输出控制方式,（4）直接存储器访问方式外设与内存之间，外设与外设之间进行数据传送时，要经过CPU中转，这对高速外设（如磁盘）在进行大批量数据传送时，会造成中断次数过于频繁，这不仅影响速度而且耗费大量CPU的时间，故采用直接存储器访问方式。由DMA来实现内存与外设，或外设与外设之间的直接快速传送，减轻了CPU的负担。,.,20,数字量的输入输出控制方式,上述的四种控制方式在一个微机系统中可能全被选用在不同的信息传送过程中，也可能只选用其中的二、三种。这需根据不同的硬件结构及接口功能来选择，应具体问题具体分析。,.,21,CPU对输入/输出数据的控制方式,1、同步传送方式指CPU在需要和数据端口进行传送时,直接对其执行I/O指令(先要确保外设准备好否则传送失败).2、查询传送方式传送前,先查询外设状态,准备好才传送,否则CPU处于等待状态.3、中断传送方式外设与CPU处于并行工作,一旦外设准备好,外设向CPU发中断申请,条件具备,CPU暂停原程序执行,响应中断,外设与CPU串行工作.4、DMA传送方式CPU不干予,由硬件实现存储器与外设之间交换数据,称直接存取存储器.,.,22,1、直接传送方式,例如用输出接口驱动发光二极管LED:输出“0”LED熄灭;输出“1”LED发光.以上传送过程没有不协调的可能,所以也称为同步传送或无条件传送.,MOVDX,219HOUTDX,AL,.,23,2、查询传送方式,实现方法:在CPU要与外设交换数据时,先查询外设(I/O端口)的状态.对于输入设备,当外设准备好,或者对于输出设备,当外设空闲时,CPU才从外设输入数据或者向外设输出数据.如果外设未准备好或正忙,CPU要继续查询等待或者隔一段时间后再来查询.如此反复进行,直至能够传送数据.特点:(1)CPU通过不断查询外设状态,实现与外设的速度匹配(2)CPU的工作效率低.,.,24,实现方法:当某个外设需与CPU交换数据并已做好了准备时,就通过硬件电路向CPU发出可屏蔽中断申请,在CPU允许中断的情况下(IF=1),CPU在执行完当前指令后,可立即响应外设的中断请求,进行一次数据交换.然后,又返回原来的程序,去执行断点处的下一条指令.特点:(1)中断方式传送是由I/O设备主动请求发起的,免除了CPU重复的查询工作,提高了效率,CPU对I/O设备的请求也响应较快,因此中断方式得到广泛的应用.(2)响应过程将花费CPU时间,影响程序运行速度.响应后数据的传送还是依靠CPU执行中断服务程序来完成,其速度仍受到软件的限制.,3、中断传送方式,.,25,4、DMA传送方式,现代的输入、输出设备有些速度很快,有很高的数据传输率,例如10倍速光驱的数据传输率就达1.5MB/S,1G以上硬盘,数据传输率超过16MB/S.CPU无论用查询方式或是中断方式都不能充分发挥这些外设速度特点,因为CPU执行指令花费的时间太长.于是就提出了在内存和外设间直接传送数据的方式DMA方式.DMA方式是在DMA控制器的控制下,外设利用专门的硬件电路和存储器间直接进行数据传输的,传输过程不经过CPU,不需执行指令,也不必进行现场保护和恢复等操作,传输的速度主要取决于外设和存储器的速度.,.,26,DMA方式,优点外设与内存间直接进行数据交换，不通过CPU。DMA方式由硬件请求信号启动，又由DMAC电路完成数据传送，整个过程完全由硬件实现，所以传送速率非常高。,2.DMA控制器的功能能向CPU发出HOLD信号当CPU发出HLDA信号后，接管总线控