微机原理与接口技术 漆强版 第8章 输入输出接口

1、第第8 8章章 输入输出接口输入输出接口第第8 8章章 输入输出接口输入输出接口本章主要内容本章主要内容 I/O接口概述接口概述1 常用常用I/O接口芯片接口芯片2 CPU与外设之间的数据传送方式与外设之间的数据传送方式3第第8 8章章 输入输出接口输入输出接口8.1 I/O8.1 I/O接口概述接口概述v输入和输出设备是计算机系统的重要组成输入和输出设备是计算机系统的重要组成部分，完成输入部分，完成输入/ /输出（简称输出（简称I/OI/O）操作的）操作的部件称为输入部件称为输入/ /输出接口。输出接口。v各种外部设备通过输入输出接口与系统相各种外部设备通过输入输出接口与系统相连，并在接口电

2、路的支持下实现数据传输连，并在接口电路的支持下实现数据传输和操作控制。和操作控制。第第8 8章章 输入输出接口输入输出接口计算机系统中接口的位置计算机系统中接口的位置第第8 8章章 输入输出接口输入输出接口8.1.1 CPU8.1.1 CPU与与I/OI/O设备之间的接口信息设备之间的接口信息1.1.数据数据（DataData）数字数字量量模拟模拟量量开关开关量量2.2.状态状态信息（信息（StatusStatus）3.3.控制控制信息（信息（ControlControl）第第8 8章章 输入输出接口输入输出接口8.1.2 I/O8.1.2 I/O接口的主要功能接口的主要功能1.1.对输入输出

3、数据进行缓冲和锁存对输入输出数据进行缓冲和锁存2.2.对对信号的形式和数据的格式进行变换信号的形式和数据的格式进行变换3.3.对对I/OI/O端口进行寻址端口进行寻址4.4.提供提供联络信号联络信号第第8 8章章 输入输出接口输入输出接口8.1.3 I/O8.1.3 I/O接口的结构接口的结构数据端口：用于数据信息数据端口：用于数据信息I/O的端口。的端口。CPU通过数据接收端口输通过数据接收端口输入数据，有的能保存外设发往入数据，有的能保存外设发往CPU的数据；的数据；CPU通过数据输出通过数据输出端口输出数据，一般能将端口输出数据，一般能将CPU发往外设的数据锁存。发往外设的数据锁存。状态

4、端口：状态端口：CPU通过状态端口了解外设或接口部件本身的状态。通过状态端口了解外设或接口部件本身的状态。控制端口：控制端口：CPU通过控制端口发出控制命令，以控制接口部件通过控制端口发出控制命令，以控制接口部件或外设的动作。或外设的动作。第第8 8章章 输入输出接口输入输出接口8.1.4 8.1.4 输入输出的寻址方式输入输出的寻址方式1.1.存储器映像的存储器映像的I/OI/O寻址寻址 存储单元和存储单元和I/O端口的地址统一编址。把一个外设端口作为端口的地址统一编址。把一个外设端口作为存储器的一个单元来对待，故每一个外设端口占有存储器的一个存储器的一个单元来对待，故每一个外设端口占有存储

5、器的一个地址。地址。 从外部设备输入一个数据，作为一次存储器读的操作；而从外部设备输入一个数据，作为一次存储器读的操作；而向外部设备输出一个数据，则作为一次存储器写的操作。向外部设备输出一个数据，则作为一次存储器写的操作。第第8 8章章 输入输出接口输入输出接口优点：优点：CPUCPU对外设的操作可使用全部的存储器操作指对外设的操作可使用全部的存储器操作指令，故指令多，使用方便。如可以对外设中的令，故指令多，使用方便。如可以对外设中的数据（存于外设的寄存器中）进行算术和逻辑数据（存于外设的寄存器中）进行算术和逻辑运算，进行循环或移位等。运算，进行循环或移位等。内存和外设的地址分布图是同一个。内

6、存和外设的地址分布图是同一个。不需要专门的输入输出指令以及区分是存储器不需要专门的输入输出指令以及区分是存储器还是还是I/OI/O操作的控制信号。操作的控制信号。缺点缺点：外设外设占用了内存单元，使内存容量减小。占用了内存单元，使内存容量减小。第第8 8章章 输入输出接口输入输出接口8.1.4 8.1.4 输入输出的寻址方式输入输出的寻址方式2. I/O2. I/O映像的映像的I/OI/O寻址寻址 I/O端口地址与存储单元地址分开编址。端口地址与存储单元地址分开编址。CPU有专门的有专门的I/O指指令，用地址来区分不同的外设。令，用地址来区分不同的外设。 但要注意实际上是以端口（但要注意实际上

7、是以端口（Port）作为地址单元，因为一）作为地址单元，因为一个外设不仅有数据寄存器还有状态寄存器和控制命令寄存器，它个外设不仅有数据寄存器还有状态寄存器和控制命令寄存器，它们各需要一个端口才能加以区分，故一个外设往往需要数个端口们各需要一个端口才能加以区分，故一个外设往往需要数个端口地址。地址。第第8 8章章 输入输出接口输入输出接口优点：优点：I/OI/O端口不占用存储器地址，故不会减少用户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；的存储器地址空间；采用单独的采用单独的I/OI/O指令，使程序中指令，使程序中I/OI/O操作和其他操作和其他操作层次清晰，便于理解。操作层次清晰，

8、便于理解。缺点缺点：单独单独I/OI/O指令的功能有限，只能对端口数据进指令的功能有限，只能对端口数据进行输入行输入/ /输出操作，不能直接进行移位、比较输出操作，不能直接进行移位、比较等其他操作；等其他操作；采用专用的采用专用的I/OI/O操作时序及操作时序及I/OI/O控制信号线，因控制信号线，因而增加了微处理器本身控制逻辑的复杂性。而增加了微处理器本身控制逻辑的复杂性。第第8 8章章 输入输出接口输入输出接口8.2 8.2 常用常用I/OI/O接口芯片接口芯片v第第8 8章章 输入输出接口输入输出接口第第8 8章章 输入输出接口输入输出接口8.2 8.2 常用常用I/OI/O接口芯片接口

9、芯片v第第8 8章章 输入输出接口输入输出接口第第8 8章章 输入输出接口输入输出接口8.3 CPU8.3 CPU与外设之间的数据传送方式与外设之间的数据传送方式 CPU CPU与外设之间的数据传送方式一般有：与外设之间的数据传送方式一般有：程序控制方式程序控制方式中断方式中断方式直接存储器存取方式直接存储器存取方式通道控制方式通道控制方式第第8 8章章 输入输出接口输入输出接口8.3.1 8.3.1 程序控制方式程序控制方式v采用程序控制方式时，状态和数据的传输采用程序控制方式时，状态和数据的传输由由CPUCPU执行一系列指令完成。数据传送过程执行一系列指令完成。数据传送过程中，或者由中，或

10、者由CPUCPU查询外设状态，或者由外设查询外设状态，或者由外设向向CPUCPU发出请求。发出请求。v这种方式又可分为无条件传输方式和程序这种方式又可分为无条件传输方式和程序查询方式。查询方式。第第8 8章章 输入输出接口输入输出接口1.1.无条件传输方式无条件传输方式vCPUCPU不需要了解外设状态，直接与外设传输不需要了解外设状态，直接与外设传输数据，适用于按钮开关、发光二极管等简数据，适用于按钮开关、发光二极管等简单外设与单外设与CPUCPU的数据传送过程。的数据传送过程。v这种传输方式的特点是硬件电路和程序设这种传输方式的特点是硬件电路和程序设计都比较简单，一般用于能够确信外设已计都比

11、较简单，一般用于能够确信外设已经准备就绪的场合。经准备就绪的场合。第第8 8章章 输入输出接口输入输出接口v第第8 8章章 输入输出接口输入输出接口CODE CODE SEGMENTSEGMENTASSUMEASSUME CS:CODECS:CODEMAINMAINPROCPROCFARFARSTART:START: PUSH DS PUSH DS MOV AX,0 MOV AX,0 PUSH AX PUSH AXAGAIN:AGAIN: MOV DX,200H MOV DX,200H IN AL,DX IN AL,DX ；读取开关状态；读取开关状态 NOT AL NOT AL ；取反；取反

12、OUT DX,AL OUT DX,AL ；输出控制；输出控制LEDLED JMP AGAIN JMP AGAIN RET RET ；返回；返回DOSDOSMAIN MAIN ENDPENDPCODE CODE ENDSENDS END START END START第第8 8章章 输入输出接口输入输出接口【例【例7-27-2】硬件连接如】硬件连接如前例前例图所示，要求图所示，要求LEDLED0 0LEDLED7 7循环循环点点亮。亮。 CODE SEGMENT CODE SEGMENT ASSUME CS:CODE ASSUME CS:CODE MAIN PROC FAR MAIN PROC

13、FAR START: PUSH DS START: PUSH DS MOV AX,0 MOV AX,0 PUSH AX PUSH AX MOV DX,200H MOV DX,200H ；设置；设置I/OI/O端口端口 MOV CL,01H MOV CL,01H ；设置输出初值；设置输出初值第第8 8章章 输入输出接口输入输出接口AGAIN: AGAIN: MOV H,1 MOV H,1 ；读键盘缓冲区字符；读键盘缓冲区字符 INT 16H INT 16H CMP AL,1BH CMP AL,1BH ；若为；若为“ESCESC”键，则退出键，则退出 JZ EXIT JZ EXIT MOV AL,

14、CL MOV AL,CL OUT DX,AL OUT DX,AL ；输出控制；输出控制LEDLED MOV BX,100 MOV BX,100 ；向子程序传递参数，实现；向子程序传递参数，实现1 1秒软延时秒软延时 CALL DELAY CALL DELAY ；子程序；子程序DELAYDELAY实现实现10ms10ms延时延时 ROL CL,1 ROL CL,1 ；循环左移；循环左移1 1位位 JMP AGAIN JMP AGAINEXIT: RETEXIT: RET第第8 8章章 输入输出接口输入输出接口DELAY PROC NEAR DELAY PROC NEAR ；延时子程序；延时子程序

15、DELAYDELAY PUSH BX PUSH BX PUSH CX PUSH CXWAIT0:WAIT0: MOV CX,2801MOV CX,2801WAIT1:WAIT1: LOOP WAIT1LOOP WAIT1 DEC BX DEC BX JNZ WAIT0 JNZ WAIT0 POP CX POP CX POP BX POP BX RET RETDELAY ENDPDELAY ENDPMAIN ENDPMAIN ENDPCODE ENDSCODE ENDS END START END START第第8 8章章 输入输出接口输入输出接口24无条件程序控制方式无条件程序控制方式外设数据

16、变化缓慢，外设数据变化缓慢，始终处于就绪状态始终处于就绪状态,如如开关或开关或LED接口结构简单（通常只需要数据端口），适用面较窄接口结构简单（通常只需要数据端口），适用面较窄 输出 设备 输入 设备 输出锁存器 输入缓冲器 端口译码电路 1 DB AB M/IO WR RD 1 VCC G1 G2 L1 L2 L8 K1 K2 K8 第第8 8章章 输入输出接口输入输出接口2.2.程序查询方式程序查询方式v也称为条件传输方式，常用于慢速设备与也称为条件传输方式，常用于慢速设备与CPUCPU交换数据。交换数据。vCPUCPU与外设传输数据之前，先检查外设状态与外设传输数据之前，先检查外设状态，

17、如果外设处于，如果外设处于“准备好准备好”状态（输入设状态（输入设备）或备）或“空闲空闲”状态（输出设备），才可状态（输出设备），才可以传输数据。为此，接口电路中除了数据以传输数据。为此，接口电路中除了数据端口外，还必须有状态端口。端口外，还必须有状态端口。第第8 8章章 输入输出接口输入输出接口v程序查询方式的一般过程为：程序查询方式的一般过程为：CPUCPU从接口中读取状态字；从接口中读取状态字；CPUCPU检测状态字的相应位，是否满足检测状态字的相应位，是否满足“就绪就绪”条件，如不满足，则转条件，如不满足，则转1 1）；）；如状态位表明外设已处于如状态位表明外设已处于“就绪就绪”条件，

18、则传条件，则传输数据。输数据。第第8 8章章 输入输出接口输入输出接口27数据缓冲器(输入端口)状态缓冲器（输入端口）锁存器输入设备数据端口读选通状态端口读选通输入选通输入数据RQD5VDB（数据、状态）READY(1bit)数据锁存器（输出端口）状态缓冲器(输入端口)输出设备输出选通RQD5VDB（数据、状态）BUSY(1bit)ACK状态端口读选通数据端口写选通 接口避免了对端接口避免了对端口的口的“盲读盲读”、“盲写盲写” ，数据传送的可，数据传送的可靠性高，且硬件接靠性高，且硬件接口相对简单。口相对简单。 外设应具有必要的外设应具有必要的联络（握手）信号联络（握手）信号如如READY、

19、ACK等；等； 缺点缺点是是CPU工作效工作效率低，率低，I/O响应速度响应速度慢；在有多个外设的慢；在有多个外设的系统中，系统中，CPU的查询的查询顺序由外设的优先级顺序由外设的优先级确定，实时性差。确定，实时性差。第第8 8章章 输入输出接口输入输出接口程序控制方式总结程序控制方式总结1. 特点特点：要求外设要求外设数据变化缓慢，操作时间固定，可以被认为数据变化缓慢，操作时间固定，可以被认为始终处于就绪状态，如一组开关或始终处于就绪状态，如一组开关或LED显示管。显示管。2. 优点：优点：简单，简单， CPU随时可无条件读随时可无条件读/写数据。写数据。3. 缺点：缺点：适用面窄。适用面窄

20、。1. 特点：特点： CPU主动、外设被动。执行主动、外设被动。执行I/O操作时操作时CPU总要先查总要先查询外设状态；若传输条件不满足时，询外设状态；若传输条件不满足时，CPU等待直到条件满足。等待直到条件满足。 2. 优点：优点：解决了解决了CPU与外设之间的同步问题，可靠性高。与外设之间的同步问题，可靠性高。3. 缺点：缺点：CPU利用率低，低优先级外设可能无法及时得到服务利用率低，低优先级外设可能无法及时得到服务第第8 8章章 输入输出接口输入输出接口8.3.28.3.2中断方式中断方式v不让不让CPUCPU主动去查询外设的状态，而是让外主动去查询外设的状态，而是让外设在数据准备好之后

21、再通知设在数据准备好之后再通知CPUCPU。这样，。这样，CPUCPU在没接到外设通知前只管做自己的事情在没接到外设通知前只管做自己的事情，只有接到通知时才执行与外设的数据传，只有接到通知时才执行与外设的数据传输工作输工作，从而，从而大大提高大大提高CPUCPU的利用率。的利用率。v中断方式中断方式详见详见第第1010章章。第第8 8章章 输入输出接口输入输出接口8.3.28.3.2中断方式中断方式主主程程序序中中断断服服务务子子程程序序中断申请信号中断申请信号 第第8 8章章 输入输出接口输入输出接口8.3.3 8.3.3 直接存储器存取（直接存储器存取（DMADMA）方式）方式vDMADM

22、A方式就是在系统中建立一种机制，将外方式就是在系统中建立一种机制，将外设与内存间建立起直接的通道，设与内存间建立起直接的通道，CPUCPU不再直不再直接参加外设与内存间的数据传输，而是在接参加外设与内存间的数据传输，而是在系统需要进行系统需要进行DMADMA传输时，将传输时，将CPUCPU对地址总对地址总线、数据总线及控制总线的管理权交由线、数据总线及控制总线的管理权交由DMADMA控制器进行控制。当完成一次控制器进行控制。当完成一次 DMA DMA数据传数据传输后，再将这个控制权还给输后，再将这个控制权还给CPUCPU。第第8 8章章 输入输出接口输入输出接口8.3.3 8.3.3 直接存储

23、器存取（直接存储器存取（DMADMA）方式）方式vDMADMA方式由硬件自动实现的，并不需要程序方式由硬件自动实现的，并不需要程序进行控制。进行控制。vDMACDMAC（称为（称为DMADMA控制器）芯片来完成相关工控制器）芯片来完成相关工作，如内存地址的修改、字节长度的控制作，如内存地址的修改、字节长度的控制。当。当CPUCPU放弃数据总线、地址总线及控制总放弃数据总线、地址总线及控制总线的控制权时，由线的控制权时，由DMACDMAC实现外设和内存间实现外设和内存间的数据交换，同时也包括与的数据交换，同时也包括与CPUCPU之间必要的之间必要的连接。连接。第第8 8章章 输入输出接口输入输出

24、接口8.3.3 8.3.3 直接存储器存取（直接存储器存取（DMADMA）方式）方式ABDBCB CPU DMAC RAM/ROM I/O第第8 8章章 输入输出接口输入输出接口8.3.4 8.3.4 通道控制方式和通道控制方式和I/OI/O处理器处理器v在大、中型计算机系统中，配置的在大、中型计算机系统中，配置的I/OI/O设备设备很多，输入输出操作十分频繁，如果仅用很多，输入输出操作十分频繁，如果仅用DMADMA控制器，则需要控制器，则需要CPUCPU不断地对各个不断地对各个DMADMA控控制器进行设置，影响制器进行设置，影响CPUCPU的正常工作。的正常工作。v将将DMADMA控制器的功

25、能增强，使其能够按控制器的功能增强，使其能够按CPUCPU的意图自行设置操作方式，控制数据传送的意图自行设置操作方式，控制数据传送。于是，。于是，DMADMA控制器发展成了通道控制器。控制器发展成了通道控制器。第第8 8章章 输入输出接口输入输出接口1. I/O 1. I/O 通道（通道（ I/O Channel ) I/O Channel ) v早期早期的的“通道通道”是由一些简单的是由一些简单的、主要用主要用于数据输入输出的于数据输入输出的CPUCPU构成，可配置简单的构成，可配置简单的输入输出程序。输入输出程序。v主主CPUCPU只需使用简单的通道命令启动通道，只需使用简单的通道命令启动通道，二者即可并行工作。输入输出程序可以在二者即可并行工作。输入输出程序可以在主存中，也可以在通道的局