第九章-输入输出方法及常用的接口电路-2要点.ppt

9.2.2基本输入输出方法,CPU与外设的工作速度不一致，如何使两者高效、可靠地进行数据传送，是接口技术讨论的问题。,基本输入输出方法：程序控制的输入/输出方式；程序中断输入/输出方式；直接存储器存取(DMA:DirectMemoryAccess)方式；专用I/O处理器方式。,概述1.无条件传送（CPU与外设同步工作）：外部控制过程各种动作时间是固定的，而且是已知的。2.查询方式（CPU与外设不同步工作）：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方式（高速I/O及成组交换数据）：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。,程序控制的输入/输出无条件传送,有条件传送,一、无条件传送方式(同步传送方式),实现方法CPU不查询外设工作状态，与外设速度的匹配通过在软件上延时完成，在程序中直接用I/O指令，完成与外设的数据传送特点1.适用于外设动作时间已知，在CPU与外设进行数据传送时，外设保证已准备好的情况2.软硬件十分简单。,例1无条件输入接口,接口电路，即硬件上保证:只在CPU执行从200H端口输入数据时,三态门处于工作状态，使输入设备的数据送上总线侧，而CPU执行其它指令时,三态门均处于高阻状态,使输入设备的数据线与总线侧断开,三态缓冲器,输入设备,数据线,IOR,地址译码,地址线,200H,0,0,0,D7D0,A15A0,与非,PC总线,无条件输入编程:从端口200H读入100个字节到内存缓冲区buffer中。,.MOVAX,SEGbufferMOVDS,AX;取缓冲区LEADI,buffer;首地址MOVCX,100;传送个数MOVDX,200H;端口地址next：CALLdelay;延时等待INAL,DX;读入数据MOVDI,AL;送缓冲区INCDI;修改指针LOOPnext.,;延时子程delayPROCPUSHCXMOVCX,80Hcc:LOOPccPOPCXRETdelayENDP,例2无条件输出接口,PC总线,锁存器,输出设备,数据线,IOW,地址译码,地址线,300H,0,0,0,D7D0,A15A0,与非,例2无条件输出:编程控制系统板上扬声器发声。,4,7,6,5,3,2,1,0,61H端口,8253,与门,放大器,扬声器,0,1,控制其它外设,扬声器控制电路图：,发声原理：向扬声器发送一串脉冲信号，推动扬声器内纸盆振动，发出声音脉冲的频率，控制音高；脉冲的个数，控制音长,1.使61H端口的0位输出0，控制8253输出1。2.使61H端口的1位按所需频率交替输出0和1，产生所需的声音。,编程方法：,4,7,6,5,3,2,1,0,61H端口,8253,与门,放大器,扬声器,0,1,控制其它外设,扬声器控制电路图：,codeSEGMENTASSUMECS:codestart:MOVBX,3000H;控制脉冲个数MOVDX,6000H;控制脉冲周期INAL,61H;读入61H端口数据ANDAL,11111100b;D0为0，8253输出1sound:XORAL,00000010bOUT61H,AL;61H端口的D1交替为0和1MOVCX,DXdelay:LOOPdelay;延时DECBX;控制脉冲数JNZsoundMOVAH,4CHINT21HcodeENDSENDstart,发声程序:,61H端口,8253,与门,放大器,扬声器,0,1,控制其它外设,二、条件传送方式(查询传送方式),实现方法：在与外设进行传送数据前，CPU先查询外设状态，当外设准备好后，才执行I/O指令，实现数据传送特点：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,查询传送方式，编程流程：,N,Y,从状态端口读入状态信息,从数据端口传送一个数据,外设准备好否？,例1查询方式输入,假设外设的状态端口为21CH，其中D4=1时，表示外设数据准备好外设的数据端口为218H。实现从外设读入50H个字节到内存缓冲区buffer中。,21CH端口状态端口,218H端口数据端口,地址译码,数据缓冲,控制电路,输入外备,CPU,地址线,数据线,控制线,查询方式输入接口,状态端口D4=1表示外设准备好,三态缓冲器,输入设备,数据线,218H,数据端口地址译码,地址线,状态端口地址译码,锁存器,IOR,RQD,三态缓冲器,+5v,D4,21CH,STB,PC总线,IOR,A15A0,D7D0,MOVDX,218HINAL,DX,MOVDX,21CHask:INAL,DXTESTAL,10hJZask,从21CH状态端口读入外设状态信息,从218H数据端口读入一个字节数据,N,D4=1,外设准备好否？,N,50H个数据传送结束？,编程从外设读入50H个字节到内存缓冲区buffer中,.MOVAX,SEGbuffer;取缓冲区首地址MOVDS,AXLEADI,bufferMOVCX,50H;传送个数next:MOVDX,21CHask：INAL,DX;从状态端口读入状态信息TESTAL,00010000B;检测D4位JZask;D4=0,继续查询MOVDX,218HINAL,DX;从数据端口读入数据MOVDI,AL;送缓冲区INCDI;修改缓冲区指针LOOPnext;传送下一个.,查询方式输入程序段:,例2查询方式输出,假设外设的状态端口为21CH，其中D0=0时，表示外设准备好外设的数据端口为219H。编程将缓冲区buffer的80H个字节输出到外设。,21CH端口状态端口,219H端口数据端口,地址译码,数据缓冲,控制电路,输出外设,CPU,地址线,数据线,控制线,查询方式输出接口,状态端口D0=0表示外设准备好,输出设备,数据线,219H,数据端口地址译码,地址线,锁存器,RDQ,三态缓冲器,+5v,ACK,PC总线,IOR,A15A0,D7D0,IOW,状态端口地址译码,D0,21CH,MOVDX,219HOUTDX,AL,MOVDX,21CHAsk:INAL,DXTESTAL,01hJNZask,STB,从21CH状态端口读入外设状态信息,将一字节数据送至219H数据端口,N,D0=0,外设准备好否？,N,80H个数据传送结束？,编程将缓冲区buffer的80H个字节输出到外设,.MOVAX,SEGbuffer;取缓冲区首地址MOVDS,AXLEASI,bufferMOVCX,80H;传送个数next:MOVDX,21CHask：INAL,DX;从状态端口读入状态信息TESTAL,00000001B;检测D0位JNZask;D00,继续查询MOVAL,SI;从缓冲区取数MOVDX,219HOUTDX,AL;从数据端口输出数据INCSI;修改缓冲区指针LOOPnext;输出下一个.,查询方式输出程序段：,三、中断传送方式,实现方法：1.当外设准备好，向CPU发出中断请求2.CPU在满足响应中断的条件下，发出中断响应信号；3.CPU暂停当前的程序，转去执行中断服务程序，完成与外设的数据传送；4.CPU从中断服务程序返回，继续执行被中断的程序,缺点主要有：为了能接受中断的请求信号，CPU内部要有相应的中断控制电路，外围设备要提供中断请求信号及中断类型号。利用中断输入/输出，每传送一次数据就要中断一次CPU。CPU响应中断后，进入中断处理将程序引导至“中断服务程序”入口。在“中断服务程序”中一般都要保护现场、恢复现场，这要安排多条指令，浪费了很多CPU时间。故此种传送方式一般较适合于传送少量的输入/输出数据以及中低速度的外围设备。对于大量的输入/输出数据，应采用高速的直接存储器存取方式DMA。,中断方式下CPU执行程序流程,外设,使用中断方式时:外设准备数据，CPU执行程序,CPU与外设并行工作；一旦外设准备就绪，外设向CPU发中断申请，CPU暂停原程序执行，响应中断，进行数据传输。此时，CPU与外设是串行工作。,中断传送方式的特点：,1.CPU和外设大部分时间处在并行工作状态,只在CPU响应外设的中断申请后，进入数据传送的过程2.中断传送方式提高了CPU的效率,（1）当外设数据准备好，外设向接口电路发出选通信号:将数据打入锁存器；同时将中断请求触发器置“1”，（2）若此时,中断请求屏蔽触发器置“0”,允许本接口发出中断,接口电路向CPU发出中断请求信号INTR；（3）CPU在运行程序时不断访问INTR，若查到INTR信号，且CPU内部中断允许标志IF=1，则CPU在现行指令执行完后，暂停程序的执行，向接口电路发出中断响应信号INTA。（4）外设把中断类型号送上数据总线；（5）CPU转入中断服务程序，执行IN指令，读入数据；清除中断请求标志。当中断处理完后，返回原程序。,3.直接存储器存取方式（DMA）,DMA传送方式(直接存储器存取方式),实现方法：1.由专用接口芯片DMA控制器(称DMAC)控制传送过程，2.当外设需传送数据时，通过DMAC向CPU发出总线请求；3.CPU发出总线响应信号，释放总线；4.DMAC接管总线，控制外设、内存之间直接数据传送,DMA传送方式过程,CPU,DMAC,内存,外设,总线响应,总线请求,DMA传送方式的特点1.外设和内存之间，直接进行数据传送，不通过CPU,传送效率高。适用于在内存与高速外设、或两个高速外设之间进行大批量数据传送。2.电路结构复杂，硬件开销较大。,接收接口往DMA控制器发出DMA请求信号后，DMA控制器能向CPU发出总线请求信号HOLD(高电平)。当CPU向DMA发出响应信号HLDA(高电平)以后，DMA能接管对总线的控制，进入DMA方式。能向地址总线发出内存地址信息，对其进行寻址及修改地址指针。能向存储器或外设发#RD，#WR命令。能决定传送字节数，并判断DMA传送是否结束。DMA过程结束，能向CPU发出DMA结束信号，HOLD变低,将总线控制权还给CPU，CPU恢复正常工作。,DMA控制器功能,用DMA方式进行输出过程与输入过程类似，只是在DMA控制器发出回答信号后接着发出的是IO写信号和存储器读信号，数据传送方向与输入相反而已。,DMA控制器工作原理,4.专用I/O处理器方式对于有大量的、高速的I/O设备的微机系统，前面几种方法都难以满足要求，于是，人们又提出并实际上广泛采用了一种专用I/O处理机（IOP）控制方式，比如8089。这种方式是把原来由CPU完成的各种I/O操作与控制全部交给I/O处理器去完成。I/O处理器能够直接存取系统主存储器，能够中断CPU或被CPU查询，并能直接执行I/O程序和数据预处理程序。因此，这种方式可以大大提高CPU对具有大量I/O设备的数据吞吐量。,接口技术,1用简单的逻辑电路2用可编程集成接口芯片3用多功能的芯片组,例1无条件输入接口,三态缓冲器,输入设备,数据线,IOR,地址译码,地址线,200H,0,0,0,D7D0,A15A0,与非,PC总线,注意：在逻辑门前输入信号的，表示对信号求反。与锁存器、三态门等控制端的意义不同。,简单的逻辑电路：,例2无条件输出接口,PC总线,锁存器,输出设备,数据线,IOW,地址译码,地址线,300H,0,0,0,D7D0,A15A0,与非,简单的逻辑电路：,例3查询输入接口,状态端口D4=1表示外设准备好,三态缓冲器,输入设备,数据线,218H,数据端口地址译码,地址线,状态端口地址译码,锁存器,IOR,RQD,三态缓冲器,+5v,D4,21CH,STB,PC总线,IOR,A15A0,D7D0,MOVDX,218HINAL,DX,MOVDX,21CHINAL,DX,简单的逻辑电路：,例4查询输出接口,状态端口D0=0表示外设准备好,输出设备,数据线,219H,数据端口地址译码,地址线,锁存器,RDQ,三态缓冲器,+5v,ACK,PC总线,IOR,A15A0,D7D0,IOW,状态端口地址译码,D0,21CH,MOVDX,219HOUTDX,AL,MOVDX,21CHINAL,DX,简单的逻辑电路：,STB,2.用可编程集成接口芯片,将完成某一功能的接口电路集成在一个芯片上，通过对接口芯片编程，设置接口芯片的工作状态。特点：1.体积小、功能强、可靠性高2.通常是专门为配合微机系统中的各种适配器设计，不必增加或增加很少的电路，就可直接与总线连接，使用方便。3.应用时，应掌握芯片的工作原理、外部特性、编程方法。,接口芯片举例：并行接口芯片8255A、8155A、Z80-PIO串行接口芯片8251A、8250、Z80-SIO定时/计数器8253、8254、Z80-CTC中断控制器8259ADMA控制器8237A、Z80-DMA键盘控制器8279CRT控制器8275、6845硬盘控制器6843D/A转换器DAC0832A/D转换器ADC0809,例用可编程并行接口芯片8255A做打印机的接口。,查询方式接线图,CS,并行接口8255A,打印机,PC总线,数据线,IOR,RD,WR,IOW,片选译码,PA0PA7,PC0,PC4,A2A9,数据线,STROBE,BUSY,D0D7,D0D7,中断方式接线图,CS,并行接口8255A,打印机,PC总线,数据线,IOR,RD,WR,IOW,片选译码,PA0PA7,PC7,PC6,A2A9,数据线,STROBE,ACK,D0D7,D0D7,PC3,IRQ3,3.用多功能的芯片组,将完成多个功能的接口电路集成在一个芯片上，通过编程，设置控制字，改变接口芯片的工作状态。例82206集成外设控制器，内部包含：2个8237DMA控制器2个8259A中断控制器1个8