输入输出与中断课件

第7章输入/输出与中断主要内容:I/O接口概述CPU与外设之间数据传送的方式中断技术8086／8088的中断系统可编程中断控制器Intal8529A第7章输入/输出与中断主要内容:17.1I/O接口概述7.1.1I/O接口的作用1.I/O接口微处理器与存储器构成了微型计算机系统的主机部分，为了使微型计算机工作，还必须配上各种外部设备，简称外设，将外设中主要用来实现数据的输入／输出、实现人机联系的设备称为输入／输出设备，即I/O设备。当要把外设与微处理器相连时，往往需要配上相应的电路。通常把介于主机和外设之间的一种缓冲电路称为I/O接口电路，简称I/O接口。7.1I/O接口概述7.1.1I/O接口的作用2图7.1主机与外设的连接CPUI/O接口外设图7.1主机与外设的连接CPUI/O接口外设32.I/O接口的作用

接口是主机和外设之间交换信息的桥梁。那么，主机与外设交换信息时为什么要通过接口电路呢？这主要有以下三个原因。①总线隔离作用数据总线是外设及存储器传送信息的公共线路，任何外设或存储器都不允许长期占用数据总线，而仅允许被选中的外设或存储器在读／写总线周期中享用数据总线。因此，大多数外设不能直接和CPU的数据总线相连，要借助与接口电路使外设与总线隔离，起缓冲、暂存数据的作用，使主机和外设协调一致的工作。2.I/O接口的作用 4 ②速度匹配作用 接口电路可以提供握手信息给微处理器和外设，协调主机和外设间数据传送速度不匹配的矛盾。大多数外设输入输出信息的速度远远低于微处理器，为同步外设与主机的工作，在输入输出控制中，常需要接口电路提供外设的工作状态给微处理器，同时记忆主机下达给外设的命令，从而使主机与外设之间协调一致地工作。 ②速度匹配作用5③信号变换作用 外设的信息格式与微处理器不一致时，需要接口电路进行信息的变换。从本质上说，微处理器的信息格式是并行的数字信号，而外设由于其功能的多样性，信息格式也是多种多样的。这就需要进行：

电平变换

并串变换

数模变换③信号变换作用6

7.1.2CPU与外设交换的信息 主机与I/O设备之间交换的信息可分为数据信息、状态信息和控制信息三种。 (1)数据信息：它是CPU与外设之间传送的主要信息，可分为数字量、模拟量和开关量三种形式。 (2)状态信息：是外设通过接口送往CPU的信息，作为外设与CPU之间交换数据的联络信号，反映了当前外设所处的工作状态。 (3)控制信息：是CPU通过接口传送给外设的信息，用来设置外设（包括接口）的工作方式、控制外设的工作等。 7.1.2CPU与外设交换的信息7DBCPU外设图7.2CPU与外设交换的信息I/O接口数据信息状态信息控制信息DBCPU外设图7.2CPU与外设交换的信息I/O接口数8

7.1.3I/O接口的基本结构(接口与端口)

接口(Interface)：介与主机和外设之间的缓冲电路。

端口(Port)：接口中可以进行寻址读写的寄存器，简称口。 一个接口往往含有几个端口，CPU通过输入输出指令向这些端口取或存信息。端口主要有三类：一类为状态口，一类为命令口（或控制口），一类是数据口。CPU通过输入指令从状态口获取外设的状态信息，通过输出指令从命令口发出控制命令，控制外设的工作。通过输入输出指令可以从数据端口与外设交换数据。因此说，计算机主机与外设之间交换信息都是通过接口中的端口来实现的。 7.1.3I/O接口的基本结构(接口与端口)9CBABDBCPU数据端口状态端口I/O设备译码控制端口图7.3I/O接口的基本结构I/O接口CBABDBCPU数据端口状态端口I/O设备译码控制端口图710

7.1.4I/O端口的编址微机系统中，I/O端口的编址方式分为统一编址和独立编址两大类。在Intel80x86系列微机中，采用独立编址方式。1.I/O端口的统一编址方式统一编址又称存储器映象编址(Memory-mappingAddressCoding)，就是将I/O端口看成是存储器空间的一个组成部分，按照存储器单元的编址方法统一编排地址号，每个I/O端口占用一个地址。这样，CPU对I/O端口的输入／输出操作如同对存储单元的读／写操作一样，对存储器的各种寻址方式也同样适用于I/O端口。7.1.4I/O端口的编址11图7.4I/O端口与内存单元统一编址存储器I/O端口00000HXXXXXHFFFFFH整个地址空间(XXXXX+1)HI/O端口存储器空间I/O端口空间图7.4I/O端口与内存单元统一编址存储器I/O端口00122.I/O端口的独立编址方式(IsolatedI/OAddressCoding)在独立编址方式下，I/O地址空间完全独立于存储器空间。在I/O地址空间中，每个端口有一个唯一的端口地址，CPU有专用的I/O指令，用于CPU与I/O端口之间的数据传输。Intel80x86系列CPU中设有IN、OUT指令作为专用的I/O指令和寻址方式。在直接寻址方式下，CPU只利用地址总线的低8位输出地址信息，所以只能寻址I/O地址空间的00HFFH地址，而在间接寻址方式下，CPU利用地址总线的低16位输出地址信息，可以寻址的I/O空间多达64K个端口。2.I/O端口的独立编址方式(IsolatedI1300000HFFFFFH存储器I/OFFFFH0000H图7.5

I/O端口与内存单元独立编址00000HFFFFFH存储器I/OFFFFH0000H图7147.2CPU与外设之间数据传送的方法

各种外设的工作速度相差很大，有些相当高，如磁盘机的传送速度达0.26Mb／s，而有些外设的工作速度却相当低，如键盘是用于人工输入数据的，输入1个字符通常需几十毫秒。 这里所说的输入／输出方法就是指CPU通过接口与外设之间数据传送的方式，一般有三种：程序控制的输入／输出方式、程序中断的输入／输出方式和直接存储器存取方式。7.2CPU与外设之间数据传送的方法157.2.1程序控制的输入／输出方式该方式完全通过执行程序来控制CPU与外设之间的数据交换，I／O指令序列事先就排在程序中所需要的位置。这种传送方式又分为无条件传送和有条件传送。1.无条件传送：程序中I/O指令的执行不需要事先测试外设的状态，而是直接执行。这种传送方式只适用于对简单外设的操作，这些外设始终处于就绪状态，典型的输入是开关，典型的输出是LED。7.2.1程序控制的输入／输出方式16(a)来自外设的数据数据总线(DB)地址译码器地址总线(AB)≥1三态缓冲器至CPURDIOM/(b)至外设数据总线(DB)地址总线(AB)锁存器来自CPU的数据地址译码器WRIOM/≥1图7.6无条件传送方式(a)无条件传送数据输入(b)无条件传送数据输出(a)来自外设的数据数据总线(DB)地址译码器地址总线(AB17 2.有条件传送：也称查询方式传送，程序中I/O指令的执行需要事先测试外设的状态，待外设准备就绪后，执行I/O指令进行数据传送，否则循环测试等待。例如，CPU向打印机送打印字符，就需要测试打印接口电路的BUSY信号。 2.有条件传送：也称查询方式传送，程序中I/O指令的执行18图7.7查询传送方式的流程图NYY取外设状态外设准备就绪？N开始传送数据传送完否？结束图7.7查询传送方式的流程图NYY取外设状态外设准备就绪19选通状态信息READY数据总线DB至CPU地址译码器&＋5V锁存器数据缓冲器三态缓冲器QD输入设备数据状态端口译码输出数据端口译码输出RRD&IO/MRD地址总线AB图7.8查询式输入的接口电路选通状态信息READY数据总线DB至CPU地址译码器&＋520去CPUDB输出设备&数据地址译码器数据端口译码输出地址总线DB状态端口译码输出状态寄存器BUSY＋5V锁存器QD数据总线DB来自CPU选通信号ACKWRIO/MR&RDIO/M图7.9查询式输出的接口电路去CPUDB输出设备&数据地址译码器数据端口译码输出地址总线21

7.2.2程序中断的输入／输出方式该方式借助于CPU响应外部中断请求的能力，实现输入输出的控制。简单地说，就是外设将准备就绪的信号转换成有效的中断请求信号通知给CPU，CPU响应中断后，在中断服务子程序中执行I/O指令，进行数据传送。查询传送方式是由CPU来查询外设的状态，CPU处于主动地位，而外设处于被动地位。中断传送方式则是由外设主动向CPU发出请求，等候CPU处理，在没有发出请求时，CPU和外设都可以独立进行各自的工作。7.2.2程序中断的输入／输出方式22

7.2.3直接存储器存取方式（DMA：DirectMemoryAccess）在DMA方式下，高速外部设备利用专用的接口电路直接和存储器进行高速数据交换，CPU暂停指令的执行并让出总线控制权。与前两种方式不同，在DMA方式下，数据的传送不依赖CPU执行I／O指令，而是直接由专用的接口电路DMA控制器来控制外设和内存之间的数据传送。7.2.3直接存储器存取方式（DMA：Direct23第7章输入/输出与中断主要内容:I/O接口概述CPU与外设之间数据传送的方式中断技术8086／8088的中断系统可编程中断控制器Intal8529A第7章输入/输出与中断主要内容:247.1I/O接口概述7.1.1I/O接口的作用1.I/O接口微处理器与存储器构成了微型计算机系统的主机部分，为了使微型计算机工作，还必须配上各种外部设备，简称外设，将外设中主要用来实现数据的输入／输出、实现人机联系的设备称为输入／输出设备，即I/O设备。当要把外设与微处理器相连时，往往需要配上相应的电路。通常把介于主机和外设之间的一种缓冲电路称为I/O接口电路，简称I/O接口。7.1I/O接口概述7.1.1I/O接口的作用25图7.1主机与外设的连接CPUI/O接口外设图7.1主机与外设的连接CPUI/O接口外设262.I/O接口的作用

接口是主机和外设之间交换信息的桥梁。那么，主机与外设交换信息时为什么要通过接口电路呢？这主要有以下三个原因。①总线隔离作用数据总线是外设及存储器传送信息的公共线路，任何外设或存储器都不允许长期占用数据总线，而仅允许被选中的外设或存储器在读／写总线周期中享用数据总线。因此，大多数外设不能直接和CPU的数据总线相连，要借助与接口电路使外设与总线隔离，起缓冲、暂存数据的作用，使主机和外设协调一致的工作。2.I/O接口的作用 27 ②速度匹配作用 接口电路可以提供握手信息给微处理器和外设，协调主机和外设间数据传送速度不匹配的矛盾。大多数外设输入输出信息的速度远远低于微处理器，为同步外设与主机的工作，在输入输出控制中，常需要接口电路提供外设的工作状态给微处理器，同时记忆主机下达给外设的命令，从而使主机与外设之间协调一致地工作。 ②速度匹配作用28③信号变换作用 外设的信息格式与微处理器不一致时，需要接口电路进行信息的变换。从本质上说，微处理器的信息格式是并行的数字信号，而外设由于其功能的多样性，信息格式也是多种多样的。这就需要进行：

电平变换

并串变换

数模变换③信号变换作用29

7.1.2CPU与外设交换的信息 主机与I/O设备之间交换的信息可分为数据信息、状态信息和控制信息三种。 (1)数据信息：它是CPU与外设之间传送的主要信息，可分为数字量、模拟量和开关量三种形式。 (2)状态信息：是外设通过接口送往CPU的信息，作为外设与CPU之间交换数据的联络信号，反映了当前外设所处的工作状态。 (3)控制信息：是CPU通过接口传送给外设的信息，用来设置外设（包括接口）的工作方式、控制外设的工作等。 7.1.2CPU与外设交换的信息30DBCPU外设图7.2CPU与外设交换的信息I/O接口数据信息状态信息控制信息DBCPU外设图7.2CPU与外设交换的信息I/O接口数31

7.1.3I/O接口的基本结构(接口与端口)

接口(Interface)：介与主机和外设之间的缓冲电路。

端口(Port)：接口中可以进行寻址读写的寄存器，简称口。 一个接口往往含有几个端口，CPU通过输入输出指令向这些端口取或存信息。端口主要有三类：一类为状态口，一类为命令口（或控制口），一类是数据口。CPU通过输入指令从状态口获取外设的状态信息，通过输出指令从命令口发出控制命令，控制外设的工作。通过输入输出指令可以从数据端口与外设交换数据。因此说，计算机主机与外设之间交换信息都是通过接口中的端口来实现的。 7.1.3I/O接口的基本结构(接口与端口)32CBABDBCPU数据端口状态端口I/O设备译码控制端口图7.3I/O接口的基本结构I/O接口CBABDBCPU数据端口状态端口I/O设备译码控制端口图733

7.1.4I/O端口的编址微机系统中，I/O端口的编址方式分为统一编址和独立编址两大类。在Intel80x86系列微机中，采用独立编址方式。1.I/O端口的统一编址方式统一编址又称存储器映象编址(Memory-mappingAddressCoding)，就是将I/O端口看成是存储器空间的一个组成部分，按照存储器单元的编址方法统一编排地址号，每个I/O端口占用一个地址。这样，CPU对I/O端口的输入／输出操作如同对存储单元的读／写操作一样，对存储器的各种寻址方式也同样适用于I/O端口。7.1.4I/O端口的编址34图7.4I/O端口与内存单元统一编址存储器I/O端口00000HXXXXXHFFFFFH整个地址空间(XXXXX+1)HI/O端口存储器空间I/O端口空间图7.4I/O端口与内存单元统一编址存储器I/O端口00352.I/O端口的独立编址方式(IsolatedI/OAddressCoding)在独立编址方式下，I/O地址空间完全独立于存储器空间。在I/O地址空间中，每个端口有一个唯一的端口地址，CPU有专用的I/O指令，用于CPU与I/O端口之间的数据传输。Intel80x86系列CPU中设有IN、OUT指令作为专用的I/O指令和寻址方式。在直接寻址方式下，CPU只利用地址总线的低8位输出地址信息，所以只能寻址I/O地址空间的00HFFH地址，而在间接寻址方式下，CPU利用地址总线的低16位输出地址信息，可以寻址的I/O空间多达64K个端口。2.I/O端口的独立编址方式(IsolatedI3600000HFFFFFH存储器I/OFFFFH0000H图7.5

I/O端口与内存单元独立编址00000HFFFFFH存储器I/OFFFFH0000H图7377.2CPU与外设之间数据传送的方法

各种外设的工作速度相差很大，有些相当高，如磁盘机的传送速度达0.26Mb／s，而有些外设的工作速度却相当低，如键盘是用于人工输入数据的，输入1个字符通常需几十毫秒。 这里所说的输入／输出方法就是指CPU通过接口与外设之间数据传送的方式，一般有三种：程序控制的输入／输出方式、程序中断的输入／输出方式和直接存储器存取方式。7.2CPU与外设之间数据传送的方法387.2.1程序控制的输入／输出方式该方式完全通过执行程序来控制CPU与外设之间的数据交换，I／O指令序列事先就排在程序中所需要的位置。这种传送方式又分为无条件传送和有条件传送。1.无条件传送：程序中I/O指令的执行不需要事先测试外设的状态，而是直接执行。这种传送方式只适用于对简单外设的操作，这些外设始终处于就绪状态，典型的输入是开关，典型的输出是LED。7.2.1程序控制的输入／输出方式39(a)来自外设的数据数据总线(DB)地址译码器地址总线(AB)≥1三态缓冲器至CPURDIOM/(b)至外设数据总线(DB)地址总线(AB)锁存器来自CPU的数据地址译码器WRIOM/≥1图7.6无条件传送方式(a)无条件传送数据输入(b)无条件传送数据输出(a)来自外设的数据数据总线(DB)地址译码器地址总线(AB40 2.有条件传送：也称查询方式传送，程序中I/O指令的执行需要事先测试外设的状态，待外设准备就绪后，执行I/O指令进行数据传送，否则循环测试等待。例如，CPU向打印机送打印字符，就需要测试打印接口电路的BUSY信号。 2.有条件传送：也称查询方式传送，程序中I/O指令的执行41图7.7查询传送方式的流程图NYY取外设状态外设准备就绪？N开始传送数据传送完否？结束图7.7查询传送方式的流程图NYY取