第5章 输入输出技术B

1、第第5 5章章输入输出技术输入输出技术本章内容本章内容接口电路的功能和I/O端口的编址简单接口电路及应用微机与I/O设备间的信息交换方式、各自优缺点和使用场合DMA方式的原理和DMA控制器的功能、初始化(了解) 5 5.1 I/O.1 I/O接口接口一、一、I/OI/O接口概述接口概述计算机系统把处理器和主存储器以外部分称为输入/输出系统，包括输入输出设备、输入输出接口和输入输出软件。I/O接口接口是将外设连接到系统总线上的一组逻辑电路的总称。接口的作用：接口的作用：对于主机，接口提供外部设备工作状态及数据；对于外部设备，接口电路传达主机给外设的控制命令和数据，从而使主机与外设之间能协调一致地

2、工作。主机与外设间交换信息存在以下问题：速度匹配；信号驱动能力； 信号形式和电平匹配；信息格式(字节流、块、数据包、帧) ；时序匹配。CPU数据数据状态状态控制控制外外设设I/O接口接口（4）根据寻址信息选择外设。5 5.1 I/O.1 I/O接口接口I/O接口的基本功能一、一、I/OI/O接口概述接口概述（1）命令、数据和状态的缓冲、隔离和锁存； “输入要三态，输出要锁存”原则。（2）信息形式和格式转换；（3）信息的输入输出； 控制、监测和管理I/O接口与外设。5 5.1 I/O.1 I/O接口接口二、二、I/OI/O端口的编址方式端口的编址方式为了完成上述功能，CPU与I/O接口进行通信是

3、通过I/O接口内部的一组寄存器来实现的，这些寄存器统称为I/O端口。I/O端口寄存器： 数据端口寄存器； 状态端口寄存器； 控制端口寄存器。CPU数据数据状态状态控制控制外设外设不同外设具有的端口数各不相同，计算机为每一个端口都赋予一个惟一编号，称为端口地址(或端口号)。编址方式：统一编址、独立编址二、二、I/OI/O端口的编址方式端口的编址方式5 5.1 I/O.1 I/O接口接口（1）I/O端口与内存统一编址 端口与存储器单元在同一个地址空间中进行编址；优点优点指令统一，灵活；指令统一，灵活；访问控制信号统一，使用访问控制信号统一，使用同一组的地址同一组的地址/控制信号。控制信号。缺点缺点

4、内存可用地址空间减小内存可用地址空间减小0地址空间地址空间(共共1MB)内存地址内存地址(960KB)I/O地址地址(64KB)FFFFFHEFFFFHF0000H（2）I/O端口与内存独立编址 内存储器和I/O端口各自有自己独立的地址空间；5 5.1 I/O.1 I/O接口接口优点：内存地址空间不受I/O编址的影响。缺点：I/O指令功能较弱，使用不同的读写控制信号。00000H内存地址空间内存地址空间内存空间内存空间(1MB)I/O空间空间(64KB)FFFFHFFFFFHI/O地址空间地址空间0000H5 5.1 I/O.1 I/O接口接口三、8088/8086的I/O端口编址（1）采用）

5、采用I/O独立编址方式独立编址方式(地址线与存储器共用地址线与存储器共用)（2）地址线上的地址信号用）地址线上的地址信号用IO/M (IO/M)来区分来区分（3）I/O操作只使用操作只使用20根地址线中的根地址线中的16根：根：A15A0（4）可寻址的）可寻址的I/O端口数为端口数为64K(65536)个个（5）I/O地址范围为地址范围为0FFFFH（6）IBM PC只使用了只使用了1024个个I/O地址地址(03FFH)8 80 08 88 8总总线线A19-A0A15-A0MEMR、MEMWIOR、IOW 、AEN存储器存储器输入输入/输出输出5 5.1 I/O.1 I/O接口接口（1）直

6、接寻址直接寻址 在输入输出指令中直接写上在输入输出指令中直接写上8位位I/O端口地址号。端口地址号。例：IN AL, 50H ；50H端口的字节读入AL例：OUT 80H, AX ；AX中的内容输出到80H、81H两个端口四、8088/8086的I/O端口寻址方式5 5.1 I/O.1 I/O接口接口四、8088/8086的I/O端口寻址方式（2 2）寄存器间接寻址 16/8位I/O端口地址号存入DX，在输入输出指令中写DX，表示从其指示的I/O端口中输入输出数据。例：MOV DX,0050H IN AX, DX ；从DX和DX+1所指的2个端口输入1个字例：MOV DX,FF02H OUT

7、DX, AL ；AL中的字节输出到DX所指端口中注意：16位I/O端口地址必须使用DX寄存器间接寻址5 5.1 I/O.1 I/O接口接口五、8088/8086输入输出指令指令格式：IN AL/AX/EAX，imm8/DX OUT imm8/DX，AL/AX/EAX例：例：输入字数据输入字数据mov dx,20hmov dx,20h ；间接寻址，字数据输入间接寻址，字数据输入in ax,dxin ax,dxin ax,20h in ax,20h ；直接寻址，字数据输入直接寻址，字数据输入in al,21hin al,21h ；直接寻址，字节数据输入直接寻址，字节数据输入mov ah,almov

8、 ah,alin al,20hin al,20h 三段功能相同；三段功能相同； 字数据传送实际字数据传送实际上实现了连续的两上实现了连续的两个端口地址的字节个端口地址的字节数据传送。数据传送。输入指令执行过程输入指令执行过程5.2 5.2 简单接口电路简单接口电路有上述可知，CPU与外设交换信息有三类：数据信息、状态信息和控制信息。状态信息：状态信息：反映外设工作状态的信息；控制信息：控制信息：指CPU向接口内部控制寄存器发出的各种控制命令，以设置接口的工作方式及功能。数据信息：数据信息：从外设读入或输出至外设的数据信息；一、接口电路的基本结构 是一块中、大规模或超大规模集成电路芯片，常称I/

9、O接口电路芯片(接口芯片)。主要由以下几部分组成：状态寄存器；译码电路；控制逻辑。 数据输入寄存器和数据输出寄存器；控制寄存器；5.2 5.2 简单接口电路简单接口电路一、接口电路的基本结构数据线5.2 5.2 简单接口电路简单接口电路数据输入/输出寄存器：又称数据输入端口、数据输出端口，合成数据端口。暂存输入/输出的数据。输入端口具有三态输出能力；输出常用锁存器实现；控制寄存器：又称命令端口或控制端口。存放CPU发出的控制命令(信息)，控制接口的工作方式及功能和控制外设按命令要求动作 ；状态寄存器：又称状态端口，存放外设或接口的状态信息，供CPU读；译码电路：CPU执行I/O指令时，从地址总

10、线发送16位外部设备端口地址，其中高位地址线通过译码选中某接口芯片，低位地址线用来选择该接口芯片内不同端口；控制逻辑：产生接口内部控制信号和对外控制信号，以协调处理器和外设间的输入/输出操作 。 5.2 5.2 简单接口电路简单接口电路（4）按数据控制方式分：程序型接口和DMA(Direct Memory Access)型接口。 不是所有接口都具备上述全部功能。接口需要哪些功能取决于I/O设备的特点，有的还需要专用I/O接口电路。按分类方式不同主要有以下几种：（1）按数据传送方式分：并行接口和串行接口；（2）按功能选择的灵活性分：可编程接口和不可编程接口；（3）按通用性分：通用接口和专用接口；

11、例：编写程序判断下图中的开关状态。如果所有开关都闭合，则程序转向标号NEXT1执行，否则转向标号为NEXT2执行。 二、三态门接口5.2 5.2 简单接口电路简单接口电路 典型芯片74LS244，没有锁存功能的3态8位缓冲器（含含8个三态门）个三态门），3态是：高电平、高电平、低电平、高阻态。当控制端有效时，低电平、高阻态。当控制端有效时，三态门导通，输出等于输入；三态门导通，输出等于输入；否则输出高阻态。否则输出高阻态。典型应用：开关接口74LS244n 接口电路图如下：接口电路图如下：83FCH83FFH译码器MOV DX,83FCHIN AL,DXAND AL,0FFHJZ NEXT1J

12、MP NEXT2所有开关全闭所有开关全闭合转合转NEXT1，否则转否则转NEXT2。三、锁存器接口5.2 5.2 简单接口电路简单接口电路 由D触发器构成，一个器件通常包含8个D触发器，常常用芯片：用芯片：(P239图5.5、图5.7)74LS273(二态锁存）：是一种带清除功能的8D触发器， D0D7为数据输入端，Q0Q7为数据输出端，CP正脉冲触发将Di端数据锁存到Qi端，S低电平清除Qi端。常用作8位地址锁存器或输出接口。 74LS374(三态锁存器)：可作输入/输出缓冲器接口。74LS374带了三态门，它比74LS273多了一个输出允许端OE。只有当 OE=0时，74LS374的输出三

13、态门才导通， OE=1时呈高阻态。5.2 5.2 简单接口电路简单接口电路三、锁存器接口应用例子：发光二极管接口应用例子：发光二极管接口译译码码器器11.+5VRD0D7CPQ0Q7.D0D7A0A15IOW#74LS273R设该输出接口地址是设该输出接口地址是0FFFFH，则下列程序段的功能？，则下列程序段的功能？NOV DX, 0FFFFHMOV AL, 01000001BOUT DX, AL锁存器芯片74LS3745.2 5.2 简单接口电路简单接口电路做输出端口做输出端口:三态门三态门一直处于导通状态。一直处于导通状态。做输入端口做输入端口:CP正脉冲锁正脉冲锁存输入数据，译码选中时存

14、输入数据，译码选中时OE=0，CPU读取数据。读取数据。例：利用74LS244和74LS273作为输入和输出接口，编写程序，根据开关状态根据开关状态在LED数码管显示十六进制数码。 四、简单接口的应用举例5.2 5.2 简单接口电路简单接口电路解：解：273为输出接口，把数据送到为输出接口，把数据送到7段段LED数码管，设数码管，设273的地址为的地址为F0H；244为输入口，读入开关为输入口，读入开关K0K3的状态；设的状态；设244的地址为的地址为F1H；当开关的状态分别为当开关的状态分别为00001111时，在时，在7段数码段数码管上对应显示管上对应显示0F；5.2 5.2 简单接口电路

15、简单接口电路共阳极共阳极7段段LED数码管结构数码管结构(7段码表见下页段码表见下页)5.2 5.2 简单接口电路简单接口电路符号符号形状形状7段码.gfedcba符号符号形状形状7段码.gfedcba000111111801111111100000110901100111201011011A01110111301001111B01111100401100110C00111001501101101D01011110601111101E01111001700000111F011100015.2 5.2 简单接口电路简单接口电路O1 I1O2 I2O3 I3O4 I4#E1 K0K3+5VGG2A

16、G2BCBA1 174LS244D0 Q0 | Q1D7 Q2 Q3 Q4CP Q5 Q6 Q7 abcdefgDP74068个个反相器反相器74LS273Rx81 174LS138D0D7IOW#IOR#Y0Y1F0H = 0000 0000 1111 0000BF1H = 0000 0000 1111 0001B&1A7A4A15A8A3A2A1A0D0D1D2D3译码电路译码电路5.2 5.2 简单接口电路简单接口电路相应程序段如下：相应程序段如下：Seg7DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07HDB7FH,67H,77H,7CH,39H,5EH,79H,71H

17、LEABX, Seg7 ；取；取7段码表基地址段码表基地址MOVAH, 0GO:MOVDX, 0F1H ；开关接口的地址为；开关接口的地址为F1HINAL, DX ；读入开关状态；读入开关状态ANDAL, 0FH ；保留低；保留低4位位MOVSI, AX ；作为；作为7段码表的表内位移量段码表的表内位移量MOVAL, BX+SI；取；取7段码段码MOVDX, 0F0H ；7段数码管接口的地址为段数码管接口的地址为F0HOUTDX, ALJMPGO5.3 5.3 微机与微机与I/OI/O设备信息交换方式设备信息交换方式 微型计算机与外设之间数据输入输出，实际上是CPU、内存与外设接口之间进行信息

18、传送。主要有4种方式：无条件传送方式；条件传送（查询工作）方式；中断控制传送方式；直接存储器存取(DMA)方式。一、无条件传送方式 适用于总是处于准备好状态的外设，输入输出指令的执行就是数据传送过程； 以下外设可采用无条件传送方式：以下外设可采用无条件传送方式：开关；开关；发光器件发光器件(发光二极管、发光二极管、7段数码管、灯泡等段数码管、灯泡等)；继电器；继电器；步进电机。步进电机。 优点：软件及接口硬件简单；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。缺点：只适用于简单外设，适应范围较窄。5.3 5.3 微机与微机与I/OI/O设备信息交换方式设备信息交换方式 CP

19、U通过程序不断读取并测试外设状态，根据外设状态进行输入输出。 二、条件传送(查询工作)方式5.3 5.3 微机与微机与I/OI/O设备信息交换方式设备信息交换方式 单一外设单一外设工作流程工作流程 适用场合：外设并不总是准备好，CPU在交换数据前须询问外设“你准备好没有？”；对传送速率和效率要求不高。 对外设及接口的要求：对外设及接口的要求： 外设提供设备状态信息；接口应有状态端口。外设提供设备状态信息；接口应有状态端口。 优点：优点：软件比较简单。软件比较简单。 缺点：缺点：CPU效率低，数据传送实时性差，速效率低，数据传送实时性差，速度较慢。度较慢。多个外设时，多个外设时，查询流程？查询流

20、程？5.3 5.3 微机与微机与I/OI/O设备信息交换方式设备信息交换方式 例：用查询方式进行输出二、条件传送(查询工作)方式外设状态端口为外设状态端口为3FBH，第，第5位为状态标志位为状态标志(=1忙，忙，=0准备好准备好)外设数据端口为外设数据端口为3F8H，写入数据会使状态标志置，写入数据会使状态标志置1 ；外设把数；外设把数据读走后又会置据读走后又会置0。AGAIN： MOV DX, 3FBH IN AL，DX ；读状态信息；读状态信息 TEST AL，00100000B JNZ AGAIN ；最高位；最高位=1时，忙时，忙 MOV DX, 3F8H ；最高位；最高位=0时，闲时，

21、闲 MOV AL，STORE OUT DX，AL输出一批数据输出一批数据如何修改程序如何修改程序三、中断控制方式5.3 5.3 微机与微机与I/OI/O设备信息交换方式设备信息交换方式 特点：特点：外设在需要时向外设在需要时向CPU提出请求，提出请求，CPU再去为它服务。服再去为它服务。服务结束后或在外设不需要时，务结束后或在外设不需要时，CPU可执行自己的程序。可执行自己的程序。优点：优点：CPU效率高，实时性好，速度快效率高，实时性好，速度快缺点：程序编制较为复杂缺点：程序编制较为复杂以上三种以上三种I/O方式的共性方式的共性 均需CPU为中介：（外设 CPU 内存）软件：数据传送通过CP

22、U执行程序来完成；硬件：I/O接口和存储器读写控制、地址信号都由CPU发出；缺点：程序执行速度限定了传送的最大速度(约为几十KB/s)四、直接存储器存取(DMA)方式5.3 5.3 微机与微机与I/OI/O设备信息交换方式设备信息交换方式 特点： 外设直接与存储器进行数据交换 ，CPU不再是数据传输的中介者； 由DMA控制器（DMAC）接管总线控制权，内存/外设的地址和读写控制信号均由DMAC提供。 优点：优点： 数据传输数据传输由由DMA硬件来控制，数据硬件来控制，数据直接在内存和外设直接在内存和外设之间交换，可以之间交换，可以达到很高的传输速率达到很高的传输速率(可达几可达几MB/s) 典

23、型芯片：典型芯片： 可编程大规模集成电路芯片：可编程大规模集成电路芯片：Intel8237-5，Intel8257/8257-5，Motorola MC6844等。等。DMA控制器的工作过程控制器的工作过程5.3 5.3 微机与微机与I/OI/O设备信息交换方式设备信息交换方式 外设向外设向DMACDMAC发传送请求信号发传送请求信号DRQDRQ； 由由DMACDMAC发出各种控制信号，控制外设与存储器之间发出各种控制信号，控制外设与存储器之间 或存储器与存储器之间的数据传送；或存储器与存储器之间的数据传送； DMACDMAC收到后向收到后向CPUCPU发总线请求信号发总线请求信号HOLDHOLD； CPUCPU完成当前总线周期后完