第六章微型计算机的输入输出

1、杭州电子科技大学微机原理及应用微机原理及应用微机原理及应用机械工程学院杭州电子科技大学微机原理及应用2目录6.1 输入输入/输出接口概念输出接口概念6.2 输入输入/输出的控制方式输出的控制方式6.3 6.3 输入输入/ /输出端口地址与指令操作输出端口地址与指令操作杭州电子科技大学微机原理及应用学习目标1、掌握输入输出接口的基本概念2、掌握输入输出的相关控制方式原理3、掌握输入输出端口地址译码与指令操作重点内容重点内容1、输入输出接口的功能与特点2、输入输出各控制方式的特点3、8086CPU输入输出地址译码与指令操作杭州电子科技大学微机原理及应用4目录6.1 输入输入/输出接口概念输出接口概

2、念6.2 输入输入/输出的控制方式输出的控制方式6.3 6.3 输入输入/ /输出端口地址与指令操作输出端口地址与指令操作杭州电子科技大学微机原理及应用6.1 6.1 输入输入/ /输出接口概念输出接口概念 1、为什么要接口电路、为什么要接口电路?多种外设多种外设 微机的外部设备多种多样微机的外部设备多种多样 因此，外设因此，外设不能不能与与CPU直接直接相连，必须经相连，必须经过中间电路再与系统相连，这部分电路被称为过中间电路再与系统相连，这部分电路被称为I/O接口接口电路。电路。 外部设备外部设备数据格式、工作速度差别很大数据格式、工作速度差别很大杭州电子科技大学微机原理及应用 2、什么是

3、、什么是I/O接口（电路）？接口（电路）？接口在接口在CPUCPU与外设之与外设之间间I/OI/O接口是位于系统与外设间、用来协助完成数据传接口是位于系统与外设间、用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路，送和控制任务的逻辑电路，接口就是接口就是CPUCPU与外设的连与外设的连接部件接部件, ,通常包含一组能够与处理器交换信息的寄存通常包含一组能够与处理器交换信息的寄存器或缓冲器，称为器或缓冲器，称为I/O端口。端口。PCPC机系统板的可编程接口芯片、机系统板的可编程接口芯片、I/OI/O总线槽的电路板总线槽的电路板（适配器）都是接口电路（适配器）都是接口电路杭州电子科技大学微机原理及应用3、

4、I/O接口的主要功能接口的主要功能 对输入输出数据进行缓冲和锁存输出接口有锁存环节；输入接口有缓冲环节实际的电路常见：输出锁存缓冲环节、输入锁存缓冲环节 对信号的形式和数据的格式进行变换微机直接处理：数字量、开关量、脉冲量 （对模拟量微机不能直接处理，要转换！） 对I/O端口进行寻址 与CPU和I/O设备进行联络杭州电子科技大学微机原理及应用 4、I/O接口的典型结构接口的典型结构数据端口数据端口: :存放存放CPUCPU与外设之间传送的数据信息。与外设之间传送的数据信息。状态端口状态端口: :反映当前外设所处的工作状态。反映当前外设所处的工作状态。控制端口控制端口:CPU :CPU 通过接口

5、向外设传送控制信息。通过接口向外设传送控制信息。杭州电子科技大学微机原理及应用5、CPU和和I/O设备间的接口信息设备间的接口信息 CPU和和I/O设备间的交换的信息：设备间的交换的信息： 数据信息：外设的数据数据信息：外设的数据 状态信息：状态信息：I/O设备的状态设备的状态 控制信息：控制信息：CPU的控制信息的控制信息杭州电子科技大学微机原理及应用 主要接口芯片主要接口芯片 计数器计数器/定时器定时器8253 并行接口并行接口8255 中断控制器中断控制器8259 DMA控制器控制器8237 串行接口串行接口8250/8251杭州电子科技大学微机原理及应用提问：提问： CPU和输入/输出

6、设备之间传送的信息有哪几类？ 一般的IO接口电路安排有哪三类寄存器？它们各自的作用是什么？杭州电子科技大学微机原理及应用12目录6.1 输入输入/输出接口概念输出接口概念6.2 输入输入/输出的控制方式输出的控制方式6.3 6.3 输入输入/ /输出端口地址与指令操作输出端口地址与指令操作杭州电子科技大学微机原理及应用6.2 6.2 输入输入/ /输出的控制方式输出的控制方式 程序控制方式程序控制方式 同步传输方式（无条件传送方式）同步传输方式（无条件传送方式） 异步查询方式（条件传送方式）异步查询方式（条件传送方式） 中断控制方式中断控制方式 直接存储器存取方式（直接存储器存取方式（DMAD

7、MA控制方式）控制方式） 输入输出处理机控制方式输入输出处理机控制方式杭州电子科技大学微机原理及应用1、 程序控制方式程序控制方式1)1)、同步传输方式（无条件传送方式）、同步传输方式（无条件传送方式）由程序控制由程序控制CPUCPU与外设之间的数据交换。与外设之间的数据交换。 传送过程：传送过程： 外设已准备好，不查询外设的状态外设已准备好，不查询外设的状态 输入时，外设的数据已送到三态缓冲器。输入时，外设的数据已送到三态缓冲器。 输出时，输出时，CPU的输出信息已送到输出锁存器的输入端。的输出信息已送到输出锁存器的输入端。 用途：用于简单外设用途：用于简单外设 开关开关 LED显示器显示器

8、 前提：外设必须随时就绪前提：外设必须随时就绪杭州电子科技大学微机原理及应用1)1)、同步传输方式（无条件传送方式）、同步传输方式（无条件传送方式）杭州电子科技大学微机原理及应用选中地址选中地址数据数据写信号写信号读信号读信号输出端口输出端口无条件传送的工作原理无条件传送的工作原理输入端口输入端口缓冲器缓冲器74LS244锁存器锁存器74LS273杭州电子科技大学微机原理及应用例例1：输入：输入：IN AL，80H； 80H端口内容为端口内容为10H 将将80H端口的内容送端口的内容送AL。 IO/M=1，RD=0，AL=10H 例例2：输出：输出：OUT 82H，AL；AL=10H 将将AL

9、中的内容送中的内容送82H端口。端口。 IO/M=1，WR=0，（，（82H）=10H 杭州电子科技大学微机原理及应用 查询式数据传送过程3个环节：输入状态输入状态就绪？就绪？数据交换数据交换YN流程流程CPU需要先了解（查询）外设的工作状态，然后在外设可以需要先了解（查询）外设的工作状态，然后在外设可以交换信息的情况下（交换信息的情况下（就绪就绪）实现）实现数据输入数据输入或输出或输出2）、异步查询方式（条件传送方式）、异步查询方式（条件传送方式） 查询状态环节 CPU寻址状态口，读取状态字 检测是否满足“就绪” 条件 如果不满足，回到第一步读取状态字； 数据传送环节 外设已处于“就绪”状态

10、，寻址数据口 是输入，通过输入指令从数据端口读入数据 是输出，通过输出指令向数据端口输出数据特点：工作可靠，适用面宽，但传送效率低特点：工作可靠，适用面宽，但传送效率低杭州电子科技大学微机原理及应用杭州电子科技大学微机原理及应用 在输入场合在输入场合 “就绪”说明输入接口已准备好送往CPU的数据，正等着CPU来读取 该状态也可用接口中数据缓冲器已“满”来描述 在输出场合在输出场合 “就绪”说明输出接口已做好准备，等待接收CPU要输出的数据 该状态也可用接口数据缓冲器已“空”、或者用接口（外设）“闲”或不“忙（Busy）”来描述就绪：满，空、闲、不忙就绪：满，空、闲、不忙杭州电子科技大学微机原理

11、及应用1）查询式输入）查询式输入输入状态输入状态就绪？就绪？数据交换数据交换YN流程流程1、STB有效，有效，(1)、输入设备数据进入锁存器；、输入设备数据进入锁存器；(2)、IBF 有效有效2、CPU读状态端口读状态端口3、CPU读数据端口，同时清读数据端口，同时清IBFSTBIBF杭州电子科技大学微机原理及应用例例3：设有某：设有某输入接口输入接口，状态口地址，状态口地址83H,数据口地址数据口地址80H,当状当状态口的态口的D7为为1时时,数据准备好。试编写查寻式输入一个数据的数据准备好。试编写查寻式输入一个数据的程序；程序；D7 D6 D0READYPOLL： IN AL，83H TE

12、ST AL，80H ；检查状态位；检查状态位D7 JZ POLL ；D7=0,没就绪，继续查询没就绪，继续查询 IN AL，80H ；D7=1,就绪，从数据端口就绪，从数据端口 ；读入数据；读入数据杭州电子科技大学微机原理及应用 CPUCPU查询外设状态是否忙查询外设状态是否忙, ,不忙不忙, ,执行输出执行输出; ;否则等待否则等待。2）查询式输出：）查询式输出：忙？忙？读取状态信息读取状态信息输出数据输出数据否否是是1 1、CPUCPU读状态端口，查读状态端口，查BUSYBUSY线线2 2、CPUCPU写数据，写数据，(1)(1)、数据进入数据锁存器；、数据进入数据锁存器；(2)(2)、B

13、USY BUSY 有效有效3 3、输出设备工作完毕，、输出设备工作完毕，busybusy无效无效杭州电子科技大学微机原理及应用例4：设有某输出接口，状态口地址63H,数据口地址60H,当状态口的D0为1时,输出忙BUSY，D0为0时，可以输出数据。试编写查寻式输出DAT单元一个数据的程序。D7 D6 D0BUSY查询部分的程序：POLL：IN AL，63H ；读入状态 TEST AL，01H ；检查忙标志D0 JNZ POLL ；D0=1,未就绪，继续查询 MOV AL，DAT ；D0=0,就绪,数据送AL OUT 60H，AL ；将数据输出到数据端口 杭州电子科技大学微机原理及应用提问：提问

14、： 条件传送方式的工作原理是怎样的？主要用在什么场合？ 画出条件传送（查询）方式输出过程的流程图。 查询式传送方式有什么优缺点？杭州电子科技大学微机原理及应用断点断点主程序主程序中断服务程序中断服务程序中断请求中断请求对外设对外设进行处理进行处理继续执行继续执行返回断点返回断点 CPU在执行程序中，被内部或外部的事件所打断，转去执行一段预先安排好的中断服务程序；服务结束后，又返回原来的断点，继续执行原来的程序3)3)、中断传送方式、中断传送方式杭州电子科技大学微机原理及应用3)、中断传送方式、中断传送方式杭州电子科技大学微机原理及应用3)、中断传送方式的原理、中断传送方式的原理 启动外设启动外

15、设 外设准备好数据外设准备好数据,发一个选通信号发一个选通信号 外设向外设向CPU发中断请求发中断请求 CPU受到中断请求信号，暂停现行程序受到中断请求信号，暂停现行程序 CPU执行中断服务程序，执行输入输出操作执行中断服务程序，执行输入输出操作 中断服务程序结束，返回原来程序中断服务程序结束，返回原来程序 杭州电子科技大学微机原理及应用 中断过程大致分为：中断过程大致分为：中断请求中断请求：由需要提供中断服务程序的设备提出；：由需要提供中断服务程序的设备提出；中断响应中断响应：CPUCPU给设备发出一个中断应答信号；给设备发出一个中断应答信号；现场保护现场保护：保护执行中断服务程序前的各种信

16、息；：保护执行中断服务程序前的各种信息；执行中断服务程序执行中断服务程序：完成特定的操作；：完成特定的操作；退出中断服务程序退出中断服务程序：恢复现场。：恢复现场。杭州电子科技大学微机原理及应用 中断传送方式的特点中断传送方式的特点 中断传送是一种中断传送是一种效率更高效率更高的程序传送方式的程序传送方式 进行传送的进行传送的中断服务程序中断服务程序是是预先预先设计好的设计好的 中断请求是外设中断请求是外设随机随机向向CPU提出的提出的 CPU对请求的对请求的检测检测是有规律的：一般是在每是有规律的：一般是在每条指令的最后一个时钟周期采样中断请求输条指令的最后一个时钟周期采样中断请求输入引脚入

17、引脚杭州电子科技大学微机原理及应用提问：提问：1、查询式传送方式有什么优缺点？中断方式为什么、查询式传送方式有什么优缺点？中断方式为什么能弥补查询式传送方式的缺点？能弥补查询式传送方式的缺点？杭州电子科技大学微机原理及应用2 2、直接存储器存取方式（、直接存储器存取方式（DMADMA） (Direct Memory Access)(Direct Memory Access) 具有接管和控制系统总线的功能，但在取得总具有接管和控制系统总线的功能，但在取得总线控制权之前，与其它接口芯片一样，受线控制权之前，与其它接口芯片一样，受CPUCPU的控的控制。制。在在DMADMA方式，方式，DMADMA管

18、理总线，控制传送数据的开始管理总线，控制传送数据的开始与结束，传送的字节数，传送的方向及地址。与结束，传送的字节数，传送的方向及地址。杭州电子科技大学微机原理及应用 希望克服程序控制传送的不足：希望克服程序控制传送的不足：外设外设CPUCPU存储器存储器外设外设CPUCPU存储器存储器 直接存储器存取直接存储器存取DMADMA方式方式用专用接口电路直接和存储器进行数据传送。用专用接口电路直接和存储器进行数据传送。 外设外设存储器存储器 外设外设存储器存储器为什么要用为什么要用DMADMA方式传送数据？方式传送数据？杭州电子科技大学微机原理及应用杭州电子科技大学微机原理及应用DMADMA的功能有

19、哪些？的功能有哪些？能接受外设的请求，并能向能接受外设的请求，并能向CPUCPU发发DMADMA请求信号；请求信号；CPUCPU接到接到DMADMA请求信号，如果允许，请求信号，如果允许，CPUCPU发发DMADMA响应信号，响应信号，DMADMA控控制器接管总线，进入制器接管总线，进入DMADMA方式；方式；能寻址存储器，并修改地址；能寻址存储器，并修改地址；能向外设发读能向外设发读/ /写信号；写信号；能控制传送的字节数，判断能控制传送的字节数，判断DMADMA是否结束；是否结束；DMADMA结束时，能向结束时，能向CPUCPU发出结束信号，将总线控制权交还发出结束信号，将总线控制权交还C

20、PUCPU；杭州电子科技大学微机原理及应用4、输入、输入/输出处理机控制方式输出处理机控制方式对于有大量输入对于有大量输入/输出设备的微机系统，输出设备的微机系统，DMA控制方式已控制方式已不能满足这种需要。不能满足这种需要。Intel公司生产与公司生产与86系列配套的输入系列配套的输入/输出处理机输出处理机(IOP)808986系列系列CPU必须工作在最大工作模式。必须工作在最大工作模式。杭州电子科技大学微机原理及应用几种数据传送方式特点？几种数据传送方式特点？ 无条件传送无条件传送：慢速外设需与CPU保持同步 查询传送查询传送： 简单实用，效率较低，硬件开销小 中断传送中断传送：外设主动，

21、可与CPU并行工作，但中断服务保护现场等需要额外时间开销，需要硬件开销进行中断管理 DMA传送传送：DMAC控制，外设直接和存储器进行数据传送，适合大量、快速数据传送,需要硬件开销 输入输出机传送输入输出机传送:输入输出机(IOP)控制,适合大量输入/输出设备,与CPU可并行工作,需要硬件开销杭州电子科技大学微机原理及应用38目录6.1 输入输入/输出接口概念输出接口概念6.2 输入输入/输出的控制方式输出的控制方式6.3 6.3 输入输入/ /输出端口地址与指令操作输出端口地址与指令操作杭州电子科技大学微机原理及应用1 1、I/OI/O端口编址方式端口编址方式 概念概念I/OI/O端口端口:

22、 :是接口电路中是接口电路中CPUCPU能访问的能访问的寄存器的地址寄存器的地址. .I/OI/O操作操作:CPU:CPU对对I/OI/O接口电路接口电路( (与设备相关与设备相关) )的操作的操作. .不是访问不是访问I/OI/O设备设备. . 端口编址方式端口编址方式两种方式两种方式将存储器与外设端口将存储器与外设端口统一统一编址编址（存储器映像的（存储器映像的I/OI/O寻址）寻址）外设端口外设端口单独单独编址编址（I/OI/O映像的映像的I/OI/O寻址）寻址）6.3 6.3 输入输入/ /输出端口地址与指令操作输出端口地址与指令操作杭州电子科技大学微机原理及应用I/O 端口端口存储单

23、元存储单元I/O 地址空间地址空间存储器地址空间存储器地址空间整个地址空间整个地址空间1).1).存储器与外设端口存储器与外设端口统一统一编址编址（存储器映像的（存储器映像的I/OI/O寻址）寻址）杭州电子科技大学微机原理及应用n优点：优点： 可以用访向存储器的指令来访问I/O端口，而访问存储器的指令功能比较强，不仅有一般的传送指令，还有算术、逻辑运算指令，以及各种移位、比较指令等，并且可以实现直接对I/O端口内的数据进行处理。n缺点：缺点： 由于I/O端口占用了一部分存储器地址空间，因而使用户的存储地址空间相对减小。另外不利于程序阅读。1).1).存储器与外设端口存储器与外设端口统一统一编址

24、编址（存储器映像的（存储器映像的I/OI/O寻址）寻址）杭州电子科技大学微机原理及应用存储单元存储单元存储地址空存储地址空间间I/O 端口端口I/O 地址空间地址空间2).2).外设端口外设端口单独单独编址编址（I/OI/O映像的映像的I/OI/O寻址）寻址）杭州电子科技大学微机原理及应用n优点：优点： 第一，I/O端口不占用存储器地址，故不会减少用户的存储器地址空间； 第二，采用单独的I/O指令，使程序中I/O操作和其他操作层次清晰，便于理解。n缺点：缺点： 第一，单独I/O指令的功能有限，只能对端口数据进行输入/输出操作，不能直接进行移位、比较等其他操作； 第二，由于采用了专用的I/O操作时序及I/O控制信号线，因而增加了微处