《微机原理及应用》第六章-输入输出

《微机原理及应用》第六章输入输出目录输入输出概述输入输出指令中断技术DMA技术输入输出接口电路输入输出应用实例01输入输出概述将外部信息转换为计算机能识别的二进制代码，以便计算机进行处理。例如，键盘、鼠标、扫描仪等。输入设备将计算机处理后的结果转换为人类可读的形式，如文字、图像、声音等。例如，显示器、打印机、音响等。输出设备输入输出设备的作用03I/O操作过程CPU通过I/O指令与外部设备进行数据交换，包括读取输入数据、写入输出数据等。01I/O接口计算机与外部设备之间的连接电路，用于实现数据缓冲、电平转换、信息格式转换等功能。02I/O端口I/O接口中的寄存器，用于暂存CPU与外设之间传输的数据或控制信息。输入输出操作的原理输入输出端口的编址方式统一编址将I/O端口与内存单元统一编址，使用相同的地址空间和访问指令。这种方式简化了硬件设计，但增加了CPU访问I/O的复杂性。独立编址为I/O端口分配独立的地址空间，使用专门的I/O指令进行访问。这种方式简化了CPU访问I/O的过程，但需要更多的硬件支持。02输入输出指令从指定端口读取数据到寄存器或累加器中。从源端口读取字符串到内存指定位置。输入指令INS指令IN指令OUT指令将寄存器或累加器中的数据输出到指定端口。OUTS指令将内存指定位置的字符串输出到目的端口。输出指令ABCD输入输出指令的寻址方式立即寻址操作数直接跟在指令后面，作为立即数进行输入或输出。直接寻址操作数的有效地址直接由指令给出，通过该地址进行输入或输出。寄存器寻址操作数在寄存器中，通过寄存器名进行输入或输出。间接寻址操作数的有效地址存放在内存单元或寄存器中，通过间接引用该地址进行输入或输出。03中断技术中断定义01中断是指CPU在执行程序的过程中，由于某种原因需要暂时停止当前程序的执行，转而去执行另一段程序（中断服务程序），待中断服务程序执行完毕后，再返回到原程序继续执行的过程。中断源02引起中断的原因或发出中断请求的来源称为中断源。中断向量03中断向量是指中断服务程序的入口地址，即中断服务程序第一条指令的内存地址。中断的基本概念CPU在收到中断请求后，会判断是否满足中断响应条件，如果满足则会响应中断，保存当前程序的现场信息，并跳转到相应的中断服务程序执行。中断响应中断服务程序是专门用来处理中断事件的程序，它会根据中断类型进行相应的处理，例如读取输入设备的数据、处理异常事件等。中断处理当中断服务程序执行完毕后，会恢复被中断程序的现场信息，并返回到被中断的程序继续执行。中断返回中断的处理过程中断优先级当有多个中断源同时发出中断请求时，CPU会根据每个中断源的优先级高低来决定先响应哪个中断。优先级高的中断会优先得到响应和处理。中断嵌套在处理一个中断的过程中，如果又有另一个更高优先级的中断请求到来，CPU会暂停当前中断的处理，转而响应和处理更高优先级的中断。这种在一个中断处理过程中响应另一个中断的情况称为中断嵌套。中断优先级和中断嵌套04DMA技术DMA（DirectMemoryAccess，直接内存访问）是一种不经过CPU而直接从内存存取数据的数据交换模式。DMA定义DMA的作用DMA的应用场景DMA允许外部设备和内存之间直接读写数据，从而大大加速了数据的传输速度，提高了系统效率。DMA广泛应用于需要高速数据传输的场合，如磁盘、网卡、声卡等设备的数据传输。030201DMA的基本概念周期挪用方式DMA控制器在CPU执行完一个周期后，挪用CPU的一个周期来执行DMA操作。这种方式下，CPU和DMA交替使用总线。停止CPU方式在DMA传输期间，CPU停止执行程序，让出总线控制权给DMA控制器。这种方式下，DMA传输速度最快，但CPU利用率最低。DMA与CPU交替方式CPU执行程序时，DMA控制器准备数据；当CPU需要使用总线时，DMA控制器暂停传输，让出总线控制权给CPU。这种方式下，CPU和DMA协同工作，效率较高。DMA的传输方式要点三DMA控制器的组成DMA控制器通常由控制逻辑、地址计数器、数据缓冲寄存器和中断控制逻辑等部分组成。要点一要点二DMA传输过程在DMA传输前，CPU先对DMA控制器进行初始化设置，包括传输方向、传输长度、源地址和目标地址等参数。然后启动DMA传输，DMA控制器按照设置好的参数进行数据传输。在传输过程中，DMA控制器会向CPU发送中断请求，以便在传输完成后通知CPU进行处理。DMA控制器的优点使用DMA控制器可以大大减轻CPU的负担，提高数据传输速度；同时，由于DMA控制器独立于CPU工作，因此可以并行处理多个任务，提高系统效率。要点三DMA控制器的工作原理05输入输出接口电路将外部信号转换为计算机能识别的数字信号。输入设备将计算机内部的数字信号转换为人们能识别的外部信号。输出设备连接输入/输出设备与CPU之间的桥梁，实现数据缓冲、电平转换、信息格式转换等功能。接口电路接口电路的基本组成根据实际需求，明确接口电路需要实现的功能和达到的性能指标。确定接口电路的功能和性能指标根据功能和性能指标，选择适合的接口芯片，如串行通信接口芯片、并行通信接口芯片等。选择合适的接口芯片根据接口芯片的数据手册，设计接口电路的原理图，包括电源电路、信号调理电路、电平转换电路等。设计接口电路原理图将原理图转化为PCB图，并进行PCB板的制作与调试。PCB设计与制作接口电路的设计方法并行接口电路如8255A可编程并行接口芯片，可实现8位并行数据的输入/输出、控制信号的输入/输出等功能。如MAX232串行通信接口芯片，可实现TTL电平与RS-232C标准电平之间的转换，用于计算机与外设之间的异步串行通信。如ADC0809模数转换芯片和DAC0832数模转换芯片，可实现模拟信号与数字信号之间的转换，用于数据采集、控制等领域。如8259A可编程中断控制器芯片，可实现多个外部中断源的管理和控制，提高CPU的处理效率。串行通信接口电路A/D、D/A转换接口电路中断控制接口电路常见接口电路举例06输入输出应用实例通过定期扫描键盘矩阵，检测按键状态，实现键盘输入。扫描法利用键盘中断，当按键被按下时，触发中断处理程序，读取按键值。中断法将按键的行列信息编码成二进制数，通过接口电路传输至主机。编码法键盘输入接口电路图形液晶显示模块接口支持图形显示，接口电路负责传输图像数据和控制信号。LED点阵显示器接口控制LED点阵的亮灭，实现图像的显示。字符型液晶显示模块接口通过并行或串行接口与主机连接，实现字符的显示。显示器输出接口电路通过并行数据线与打印机连接，传输打印数据和控制信号。并行接口采用通用串行总线协议，实现与打印机的数据传输。USB接口通过网络协议与打印机通信，实现远程打印功能