笫6章输入输出接口ch06课件

第6章输入/输出接口

7/29/20231本章要点I/O接口概述I/O端口及其编址方式CPU与I/O接口之间的数据交换方式输入/输出接口芯片7/29/20232>>微机原理<<6.1I/O接口概述微型计算机广泛应用于过程控制信息处理数据通信计算机各种外设可靠地进行信息交换关键输入/输出接口7/29/20233>>微机原理<<6.1I/O接口概述计算机硬件系统组成中央处理器内存储器输入/输出设备接口电路通用微型计算机的硬件系统由中央处理器(CPU)、内存储器(RAM和ROM)、输入/输出设备(I/O设备)及其接口电路组成。7/29/20234>>微机原理<<6.1I/O接口概述计算机接口的位置和概念7/29/20235>>微机原理<<6.1I/O接口概述1.I/O接口的基本功能

I/O设备是用来实现人机交互的机电设备。按工作方式可分为机械式、电子式和光学式等；按工作速度可分为高速的和低速的；按信号类型可以是数字量、模拟量(电压或电流信号)或开关量等。7/29/20236>>微机原理<<6.1I/O接口概述 为了协调CPU与外设之间的这些矛盾，I/O接口应具备以下功能：1.数据缓冲功能2.信号转换功能3.端口选择功能4.接收和执行CPU命令的功能5.中断管理功能6.可编程功能7/29/20237>>微机原理<<6.1I/O接口概述2.I/O接口的基本组成 把数据缓冲/锁存器、读/写/中断控制逻辑、端口地址译码、数据端口、控制端口和状态端口等电路组合起来，就构成了一个简单的I/O接口电路。 它一方面与地址总线、数据总线和控制总线相连接，另一方面又与外部设备相连。7/29/20238>>微机原理<<6.1I/O接口概述I/O接口的基本结构7/29/20239>>微机原理<<(1).CPU和I/O设备之间交换的信息有数据信息、和状态信息.控制信息

数据信息-------数字量,模拟量和开关量

状态信息-------外设所处的状态,由I/O口将状息送往CPU

控制信息-------CPU通过I/O送往外设,控制外设的信息7/29/202310>>微机原理<<(2).I/O接口基本结构

数据接口、和状态接口.控制接口地址译码端口：地址译码是I/O接口的基本功能之一，译码电路收到与本接口有关的地址后产生相应的选通信号，对相关端口进行数据、命令或状态的传输，完成一次I/O操作数据缓冲/锁存器：在CPU与I/O设备之间进行输入/输出操作时，输入需要缓冲，输出需要锁存。7/29/202311>>微机原理<<

6.2I/O端口及内存的编址方式7/29/202312>>微机原理<<6.2 I/O端口及其编址方式 计算机系统通过一组总线来连接系统的各个功能部件，包括CPU、内存和I/O端口，各功能部件之间的信息交换通过总线来进行，如何区分不同内存单元和I/O端口，是输入/输出编址方式所要讨论和解决的问题。7/29/202313>>微机原理<<6.2 I/O端口及其编址方式

CPU与I/O接口进行通信是通过I/O接口内部的一组寄存器实现的，这些寄存器称为I/O端口。

CPU通过数据端口从外设读入数据或向外设输出数据，通过状态端口读入设备当前的状态，通过控制端口向外设发出控制命令。I/O端口数据端口状态端口控制端口7/29/202314>>微机原理<<6.2 I/O端口及其编址方式 根据计算机系统的不同，输入/输出端口的编址方式通常有两种形式：一种是I/O端口与内存统一编址；另一种是I/O端口与内存独立编址。I/O端口与内存统一编址I/O端口与内存独立编址I/O端口编址方式7/29/202315>>微机原理<<6.2 I/O端口及其编址方式1.I/O端口与内存统一编址 这种编址方式又称为存储器映射编址方式，是从存储器空间划出一部分地址给I/O端口，即把每个I/O端口当作一个存储单元，I/O端口与内存单元被安排在同一个地址空间中，CPU与外设的数据交换，相当于对存储器的读/写操作，不设置专门的I/O指令。

7/29/202316>>微机原理<<6.2 I/O端口及其编址方式I/O端口与内存单元统一编址示意图统一编址内存I/O端口7/29/202317>>微机原理<<6.2 I/O端口及其编址方式2.I/O端口与内存独立编址

这种编址方式称为I/O映射编址方式，内存和I/O端口有各自独立的地址空间。 以8086/8088为例，访问内存储器使用20根地址线A0~A19，内存地址范围00000H~FFFFFH，总共可寻址220=1M

而访问I/O端口时使用低16根地址线A0~A15，I/O端口的地址范围为0000H~FFFFH，总共可寻址216=64K个8位端口。7/29/202318>>微机原理<<6.2 I/O端口及其编址方式I/O端口与内存单元独立编址示意图独立编址内存单元I/O端口7/29/202319>>微机原理<<

6.3CPU与I/O接口之间的数据交换方式7/29/202320>>微机原理<<6.3CPU与I/O接口之间的数据交换方式

CPU与各种不同的外设进行数据传送，采用不同的控制方式，概括起来有以下几种方式：程序控制方式、中断方式和DMA方式。数据交换方式程序控制方式中断方式DMA方式7/29/202321>>微机原理<<6.3CPU与I/O接口之间的数据交换方式1.程序控制方式 程序控制方式是指在程序控制下进行数据传送，又分为无条件传送和条件传送。

7/29/202322>>微机原理<<6.3CPU与I/O接口之间的数据交换方式无条件传送外设总被认为已处于准备就绪或准备接收状态，程序不必查询外设的状态，当需要与之交换数据时，直接执行输入、输出指令，就开始发送或接收数据条件传送在传送数据之前，CPU要执行查询程序去查询外设的当前状态，只有当外设处于准备就绪(输入设备)或空闲状态(输出设备)时，才执行输入或输出指令进行数据传送，否则，CPU循环等待，直到外设准备就绪为止7/29/202323>>微机原理<<6.3CPU与I/O接口之间的数据交换方式2.中断方式 虽然查询方式比无条件传送要可靠，但在查询方式中，CPU处于主动地位，它要不断地读取状态字来检测外设状态，CPU效率很低，特别是当系统中有多个外设时，外设的工作速度各不相同，显然，CPU不能及时满足外设提出的输入/输出服务的要求，实时性较差。7/29/202324>>微机原理<<6.3CPU与I/O接口之间的数据交换方式 为了提高CPU的利用率和使系统具有较好的实时性，可采用中断传送方式。改CPU的主动查询为被动响应中断方式的特点7/29/202325>>微机原理<<6.3CPU与I/O接口之间的数据交换方式输入设备准备好数据或输出设备处于空闲时向CPU发出中断申请信号，请求CPU为它们服务(输出数据或从接口读取数据)CPU暂时中断当前正在执行的程序(即主程序)转去执行为输入/输出设备服务的中断处理程序

123服务完毕，CPU返回到被中断的程序处继续执行

7/29/202326>>微机原理<<7/29/202327>>微机原理<<6.3CPU与I/O接口之间的数据交换方式3.DMA方式 采用中断控制方式，每传送一个数据，CPU就要执行一次中断操作，CPU要暂停当前程序的执行，转去执行相应的中断服务程序，而执行中断服务程序的前后以及执行过程中，要做很多辅助操作，如保护现场，保护断点，返回前要恢复现场和恢复断点。7/29/202328>>微机原理<<6.3CPU与I/O接口之间的数据交换方式 中断方式对于高速外设不能满足传送速率上的要求。提出了一种新的传送控制方法DMA方式

7/29/202329>>微机原理<<6.3CPU与I/O接口之间的数据交换方式DMA方式的基本思路是外设与内存间的数据传送不经过CPU，传送过程也不需要CPU干预，在外设和内存间开设直接通道由一个专门的硬件控制电路来直接控制外设与内存间的数据交换。从而提高传送速度和CPU的效率，CPU仅在传送前后及传送结束后花很少的时间做一些善后处理。这种方法就是直接存储器存取方式，简称DMA方式7/29/202330>>微机原理<<6.3CPU与I/O接口之间的数据交换方式DMA控制器的工作模式单字节传送模式请求传送模式级联传送模式成批传送模式7/29/202331>>微机原理<<6.3CPU与I/O接口之间的数据交换方式DMA操作过程准备阶段DMA控制器接受CPU对其进行初始化。设置存储器的地址、传送的数据字节数，工作模式和传送方向以及对相关的各接口电路初始化设置数据传送阶段传送结束阶段DMA控制器在传送完成后向CPU发出结束信号，以便CPU撤消总线允许信号收回总线控制权。7/29/202332>>微机原理<<

小结：

1.掌握I/O接口的基本概念及基本功能

2.I/O接口和内存的两种编址方式特点及应用；

3.数据传送方式的三种模式的特点及应用重点掌握中断传送方式的应用及传送工作原理。作业：

P2011.一3题

2.CPU与I/O接口之间数据传送方式有哪三种？为什么说中断方式是应用最广泛的一种方式？7/29/202333>>微机原理<<

6.4

输入/输出接口芯片7/29/202334>>微机原理<<1.I/O接口芯片及不可编程简单I/O接口定义2.不可编程简单I/O接口定义3.串行和并行接口定义7/29/202335>>微机原理<<6.4输入/输出接口芯片几种常用的输入/输出接口芯片从功能和速度分类74XXX—标准TTL74LSXXX—低功耗肖特基型TTL74LXXX—低功耗TTL74SXXX—肖特基型TTL74ALSXXX—高性能型TTL74FXXX—高速型TTL7/29/202336>>微机原理<<缓冲器(线驱动器)74LS2441.外特性(输出分/1G与1Y1~1Y4;/2G与1Y1~1Y4)2.真值表输入输出/GAYLLLLHHH×Z7/29/202337>>微机原理<<6.4输入/输出接口芯片缓冲器(三态)74LS244输入输出/GAYLLLLHHH×Z1.引脚图2.真值表7/29/202338>>微机原理<<6.4输入/输出接口芯片总线收发器(三态)74LS245引脚图真值表/G(/OE)DIR操作LLBtoALHAtoBH×隔离控制端使能端7/29/202339>>微机原理<<

输出TTL芯片7/29/202340>>微机原理<<6.4输入/输出接口芯片1.锁存器74LS373(8D触发器)引脚图真值表输出允许输入输出/OCCDQLHHHLHLLLL×Q0H××Z7/29/202341>>微机原理<<6.4输入/输出接口芯片2.锁存器74LS374(8D)引脚图真值表输入时钟输出/OCCLKDQL↑HHL↑LLLL×Q0H××Z输出允许7/29/202342>>微机原理<<6.4输入/输出接口芯片3.带总清的锁存器74LS273引脚图真值表输入输出CLEARCLKDQL××LH↑HHH↑LLHL×Q0总清端7/29/202343>>微机原理<<6.4输入/输出接口芯片4.带允许输出的锁存器(8D)74LS377引脚图真值表输入输出/GCLKDQH××Q0L↑HHL↑LL×L×Q0不变高电平低电平7/29/202344>>微机原理<<

6.5小型案例分析7/29/202345>>微机原理<<6.5小型案例分析

(1)74LS244、74LS245、74LS373在微型计算机系统中的应用(为什么引用)

1).数据总线的分离及驱动在8086系统中，CPU的地址／数据和地址／状态总线是分时复用，必须在CPU总线和系统总线之间加入相应的电路，实现地址和数据总线的分离及驱动；

2).CPU的相应操作同时要求在加入相应的电路后CPU仍能进行常规的存储器读写，I/O读写、中断响应、总线请求响应(HL