微型计算机原理(第6章)

1、第第6章章 输入输入/输出系统输出系统2本章内容讲授学时本章内容讲授学时4v第第6章章 输入输出系统输入输出系统 v6.1 概述概述 v6.2 数据传送方式数据传送方式 v6.3 IO端口地址译码与读写控制端口地址译码与读写控制 本章重点本章重点端口分类端口分类I/O端口的地址译码端口的地址译码微型机与微型机与I/O设备的信息交换方式设备的信息交换方式456.1.1 输入输入/输出接口功能输出接口功能不同类型的外设，需要配置不同功能的接口。接口功能根不同类型的外设，需要配置不同功能的接口。接口功能根据需要有多种，复杂程度各不相同。据需要有多种，复杂程度各不相同。通常需要提供数据缓冲通常需要提供

2、数据缓冲信息格式的相容性变换信息格式的相容性变换管理数据传送管理数据传送进行地址译码选择设备进行地址译码选择设备电气特性适配电气特性适配中断管理中断管理时序控制时序控制等等6.1 概述概述 66.1.2 输入输出接口信号类型及基本结构输入输出接口信号类型及基本结构数据数据状态状态控制命令控制命令从含义和功能上来看，从含义和功能上来看，数据信息、控制信息和状态数据信息、控制信息和状态信息是各不相同的，必须分信息是各不相同的，必须分别传送，各有通路，我们称别传送，各有通路，我们称这些通路为这些通路为端口端口(PORT)，三种端口的集合就是接口。三种端口的集合就是接口。6.1 概述概述 CPU数据端

3、口数据端口控制端口控制端口状态端口状态端口外外部部设设备备接口电路接口电路地址地址数据数据数据数据状态状态控制控制76.1.3 I/O端口类型端口类型三类信息分别有寄存器三类信息分别有寄存器（缓冲器）。（缓冲器）。数据端口：双向传输数据端口：双向传输状态端口：单向输入状态端口：单向输入控制端口：单向输出控制端口：单向输出各端口可独立工作，可各端口可独立工作，可分别寻址。分别寻址。6.1 概述概述 CPU数据端口数据端口控制端口控制端口状态端口状态端口外外部部设设备备接口电路接口电路地址地址数据数据数据数据状态状态控制控制8v(1) I/O端口和存储器统一编址端口和存储器统一编址v(2) I/O

4、端口独立编址端口独立编址v统一编址统一编址把外设接口与内存统一进行编址。把外设接口与内存统一进行编址。各占据统一地址空间的不同部分。各占据统一地址空间的不同部分。优点优点v指令统一，灵活；指令统一，灵活；v访问控制信号统一，使用同一组的访问控制信号统一，使用同一组的地址地址/控制信号。控制信号。 缺点缺点v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(共1MB)内存地址(960KB)I/O地址(64KB)FFFFFHEFFFFHF0000H6.1.4 I/O端口编址方式端口编址方式6.1 概述概述 9v独立编址独立编址外设地址空间和内存地址空间外设地址空间和内存地址空间相互独立相互独立。

5、优点：内存地址空间不受优点：内存地址空间不受I/O编址的影响编址的影响缺点：缺点：I/O指令功能较弱，使用不同的读写控制指令功能较弱，使用不同的读写控制信号信号00000H内存地址空间内存空间(1MB)I/O空间(64KB)FFFFHFFFFFHI/O地址空间0000H106.2.0 输入输出指令输入输出指令直接的输入直接的输入/ /输出指令输出指令间接的输入间接的输入/ /输出指令输出指令直接的输入输出指令直接的输入输出指令提供端口号。提供端口号。 如：如：ININ AL AL，50H50H ；将将5050H H端口的字节读入端口的字节读入ALALININ AX AX，70H70H ；分别将

6、分别将7070H H、71H71H端口的内容读入端口的内容读入ALAL、AHAHOUT 44HOUT 44H，ALAL ；将将ALAL中的内容输出到中的内容输出到4444H H端口端口OUT 80HOUT 80H，AXAX ；将将ALAL、AHAH中的内容分别输出到中的内容分别输出到8080H H、81H81H两端口两端口 6.2 数据传送方式数据传送方式 11间接的输入输出指令间接的输入输出指令 ，地址由，地址由DX指出，如：指出，如：ININ ALAL，DXDX；从从DXDX所指的端口中读取所指的端口中读取ININ AXAX，DXDX；从从DXDX和和DX+1DX+1所指出的两个端口中读取

7、所指出的两个端口中读取OUT DXOUT DX，ALAL；将将ALAL中的字节输出到中的字节输出到DXDX所指的端口中所指的端口中OUT DXOUT DX，AXAX；将将ALAL中的字节输出到中的字节输出到DXDX所指的端口所指的端口 中，同时将中，同时将AHAH中的字节输出到中的字节输出到DX+1DX+1 所指的端口中所指的端口中 6.2 数据传送方式数据传送方式 12输入输出指令输入输出指令注意点注意点： 只能只能用累加器用累加器作为执行输入输出的机构作为执行输入输出的机构 寻址范围：寻址范围：直接输入输出指令为直接输入输出指令为0255间接输入输出指令为间接输入输出指令为065 535。

8、6.2 数据传送方式数据传送方式 6.2 数据传送方式数据传送方式 CPU和输入输出设备之间有以下几类信号和输入输出设备之间有以下几类信号 :（1 1）数据信息）数据信息, ,又分为：又分为：数字量数字量 模拟量模拟量 开关量开关量 （2 2）状态信息）状态信息 （3 3）控制信息）控制信息 146.2.1 无条件传送方式无条件传送方式 这是一种简单的数据传送方式，适用于任何时候均处于这是一种简单的数据传送方式，适用于任何时候均处于 “准备就绪准备就绪” 状态的外部设备，状态的外部设备，CPU可以随时执行可以随时执行I/O指指令来完成数据传送操作。令来完成数据传送操作。v适用于适用于总是处于准

9、备好状态总是处于准备好状态的外设的外设v优点：软件及接口硬件简单优点：软件及接口硬件简单v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156.2.2 条件传送方式（程序查询方式）条件传送方式（程序查询方式）查询方式的三个环节：查询方式的三个环节：CPU从接口中读取状态字从接口中读取状态字CPU检测状态字检测状态字传送数据传送数据16RD接接D7查询方式输入查询方式输入17SCAN:MOV DX,S_ADDRINAL,DXTEST AL,80HJZSCANMOV DX,D_ADDRINAL,DXNY输入状态信息READY？输入数据READY（1位)数据端口（8位）状态

10、端口（1位）数据端口地址状态端口地址D_PORTS_PORT接口接口18接接D0“0”为空闲为空闲READY查询方式输出查询方式输出19将数据端口和状态端口共用一个，用将数据端口和状态端口共用一个，用SD_ADDR表示表示SCAN:MOV DX,SD_ADDR;状态、数据共用端口状态、数据共用端口INAL,DXTEST AL,1JNZSCANMOV AL,DATAOUTDX,ALNY输入状态信息BUSY？取数并输出数据准备输出数据BUSY（1位)数据端口（8位）状态端口（1位）数据端口地址状态端口地址接口接口D_PORTS_PORT20v适用于外设并不总是准备好，而且对传送速适用于外设并不总是

11、准备好，而且对传送速率、传送效率要求不高的场合。率、传送效率要求不高的场合。vCPU在与外设交换数据前必须询问外设状在与外设交换数据前必须询问外设状态态“你准备好没有？你准备好没有？”v对外设的要求：应提供设备状态信息对外设的要求：应提供设备状态信息v对接口的要求：需要提供状态端口对接口的要求：需要提供状态端口v优点：软件比较简单优点：软件比较简单v缺点：缺点：CPU效率低，数据传送的实时性差，效率低，数据传送的实时性差， 速度较慢速度较慢21vCPU无需循环查询外设状态，而是外部设备无需循环查询外设状态，而是外部设备在需要进行数据传送时才中断在需要进行数据传送时才中断CPU正在进行正在进行的

12、工作，让的工作，让CPU来为其服务。即来为其服务。即CPU在没有在没有外设请求时可以去做更重要的事情，有请求外设请求时可以去做更重要的事情，有请求时才去传输数据，从而大大提高了时才去传输数据，从而大大提高了CPU的利的利用率。用率。v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。v缺点：程序编制较为复杂。缺点：程序编制较为复杂。6.2.3 中断方式数据传送中断方式数据传送6.2.4 DMA数据传送方式数据传送方式(Direct Memory Access)DMA控制方式控制方式是一种完全由是一种完全由硬件（硬件（DMA控制器）控制器）完成输入完成输入/输出操作的工作方式

13、，称为直接存储器存输出操作的工作方式，称为直接存储器存取控制方式。取控制方式。DMA从从CPU处接管系统总线的控制权，使存储处接管系统总线的控制权，使存储器与高速外设之间直接进行数据交换，即外设数据器与高速外设之间直接进行数据交换，即外设数据可以直接写入存储器，存储器中的数据可直接读出可以直接写入存储器，存储器中的数据可直接读出送给外设，大大加快了数据传送的速度。送给外设，大大加快了数据传送的速度。23例题例题1、设状态端口地址为、设状态端口地址为60H，数据数据端口地址为端口地址为61H，外部输入信息准备好外部输入信息准备好状态标志位状态标志位D0=1，请用查询方式写出读请用查询方式写出读入

14、外部数据的程序段。入外部数据的程序段。NY输入状态信息READY？输入数据程序段程序段:WT1：IN AL，60H ；从状态端口读入状态信息从状态端口读入状态信息 AND AL，01H ；判断判断D0=1?JZ WT1 ；D0=0，返回再读状态信息返回再读状态信息 IN AL,，61H ；D0=1，从数据端口读入从数据端口读入解：分析：这是查询输入。流程图：解：分析：这是查询输入。流程图：24 2、设状态端口地址为、设状态端口地址为086H，数数据端口地址为据端口地址为085H，外设忙碌状态外设忙碌状态D7=1，请用查询方式写出请用查询方式写出CPU从存从存储器缓冲区储器缓冲区Buffer送出

15、送出1000B的数据的数据给外设的程序段。给外设的程序段。NY输入状态信息BUSY？取数并输出数据设置循环次数CX=1000设置Buffer指针SI修改Buffer指针CX-1送CXCX=0？NY数据传送结束解：分析，这是查询输出。解：分析，这是查询输出。 要求输出要求输出1000字节，流程图：字节，流程图：25v LEA SI,Buffer；取取Buffer的有效地址送的有效地址送SIv MOV CX,1000；循环次数循环次数vW1:MOV DX, 086H ；状态端口地址送状态端口地址送DXv IN AL,DX ；从状态端口读入状态信息从状态端口读入状态信息v AND AL，80H ；

16、BUSY=0?v JNZ W1 ； BUSY=1，返回等待返回等待v MOV AL,SI ； BUSY=0，取数据取数据v MOV DX, 085H ；数据端口送数据端口送DXv OUT DX,AL ；数据从数据端口输出数据从数据端口输出v INC SI ；SI指向下一个字节数据指向下一个字节数据v LOOP W1 ；CX-1送送CX0，循环循环v HLT ；CX=0，传送结束传送结束NY输入状态信息BUSY？取数并输出数据设置循环次数CX=1000设置Buffer指针SI修改Buffer指针CX-1送CXCX=0？NY数据传送结束26 、 、 A15 A0OUT指令将使总线的指令将使总线的

17、信号有效信号有效IN指令将使总线的指令将使总线的 信号有效信号有效AEN为为“地址允许地址允许”信号，信号，ISA总线控制信号，和地址总线控制信号，和地址总线一起参加译码。总线一起参加译码。 例如：例如： 某外设接口有某外设接口有4个端口，地址为个端口，地址为2F0H2F3H，则，则其基地址为其基地址为2F0H，由，由A15A2译码得到，而译码得到，而A1、A0用来用来确定确定4个端口中的某一个。个端口中的某一个。IORIOWIOW IOR6.3 I/O端口地址译码与读写控制端口地址译码与读写控制 27用门电路设计口地址译码电路用门电路设计口地址译码电路28v对对1#端口的读操作指令端口的读操

18、作指令MOVDX,34EHINAL,DXv对对2#端口的写操作指令端口的写操作指令MOVDX,34EHOUTDX,AL29用译码器设计口地址译码电路用译码器设计口地址译码电路30简单的输入接口举例简单的输入接口举例83FCH83FFH译码器 K6K7+5VI0I3D0-D7DO0DO774LS244E1E2 1 A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14A15IOR系统总线信号 1K5K4K3K2K1K0I1I2I4I5I6I731v锁存器：由锁存器：由D触发器构成触发器构成通常一个器件包含通常一个器件包含8个个D触发器触发器常用芯片：常用芯片：74LS273、74LS37

19、4应用例子：发光二极管接口应用例子：发光二极管接口简单的输出接口举例简单的输出接口举例译译码码器器=1=1.+5VRD0D7CPQ0Q7.D0D7A0A15IOW74LS273R32输入输入/输出接口综合应用例子输出接口综合应用例子v根据开关状态在根据开关状态在7段数码管上显示数字或符号段数码管上显示数字或符号共阳极共阳极7段数码管结构段数码管结构用用74LS244作为输入口，读入开关作为输入口，读入开关K0K3的状态的状态v74LS244的地址假设为的地址假设为F1H用用74LS273作为输出接口，把数据送到作为输出接口，把数据送到7段数码管段数码管v74LS273的地址假设为的地址假设为F

20、0H当开关的状态分别为当开关的状态分别为00001111时，在时，在7段数码管上对段数码管上对应显示应显示0F(7段码表见下页段码表见下页)33 符号符号形状形状7段码段码.gfedcba符号符号形状形状7段码段码.gfedcba000111111801111111100000110901100111201011011A01110111301001111B01111100401100110C00111001501101101D01011110601111101E01111001700000111F0111000134F0H = 0000 0000 1111 0000F1H = 0000 0000 1111 0001O1 I1O2 I2O3 I3O4 I4E1 K0K3+5VGG2AG2BCBA1174LS244D0 Q0 | Q1D7 Q2 Q3 Q4CP Q5 Q6 Q7 abcdefgDP74068个个反相器反相器74LS273Rx81174LS138D0D7IOWIORY0Y1&1A7A4A15A