《微机原理与接口技术》第5章-数据输入输出方式

第5章数据输入/输出方式

5.1I/O接口5.2输入/输出控制方式5.332位数据线与8位I/O接口的连接5.1I/O接口

5.1.1输入/输出概述

5.1.2接口功能

5.1.3I/O接口组成

5.1.4I/O端口编址

5.1.5I/O接口分类

5.1.1输入/输出概述

计算机的工作过程包括数据输入、数据处理和结果输出三个阶段。因此，输入输出也是计算机工作的重要环节，其设备称为输入输出设备，简称外设。外设通过接口电路与主机相连，在主机的控制下工作。外设、I/O接口及其相关的程序统称为计算机的输入输出系统，即I/O系统。

I/O接口泛指主机与外部设备或其它计算机之间连接的电路，亦称为适配器。5.1.2接口功能

主要有：信号转换、数据缓冲与时序匹配、电气特性匹配、可编程功能及数据转换。

1.信号转换信号转换包括电信号与非电信号的转换、数字量与非数字量信号的转换、编码与解码以及传送方式的转换等。对于多媒体设备，还有音频、视频信号的转换与处理。

2.数据缓冲与时序匹配高速主机与低速外设之间常需设置缓冲器或者缓冲存储器，以实现二者之间的速度匹配。比如显卡中的显示存储器。

3.电气特性匹配计算机内部使用TTL电平，而外设的输入输出信号既有TTL电平，也有CMOS或其它规格的电平，因此需要进行电平转换。另外，还需要增强总线的驱动能力

4.可编程功能一般接口电路常有多种工作方式，通过编程进行设定或者选择。因此在接口电路中常设有可寻址的状态字寄存器和控制字寄存器，以设定接口的工作方式。

5.数据类型转换包括并/串转换或串/并转换，有时还要实现ASCII码、BCD码甚至汉字数符的转换。

I/O接口如图5-1所示，是CPU与外部设备之间进行数据转换与传送的控制器。在CPU一端传送地址、数据和控制信号，在I/O设备一端传送控制信号、数据和状态信息。因此一般包括I/O地址译码器、数据输入输出缓冲电路、控制寄存器、状态寄存器、中断控制逻辑与中断向量寄存器等部件，传送的数据或（称信息），可分为三类。

1.数据数据是输入输出设备传送的基本信息。输入时由输入设备传送给CPU或存入存储器；输出时由输出设备显示、打印，或者传送给其它设备。在接口电路中，设有数据锁存与缓冲器，有时还需要进行格式或者编码的转换。5.1.3I/O接口组成

图5-1

2.地址由于外设往往不是一个，而是多个。为此分配有不同的地址，以便识别。数据输入输出时，首先要发送地址，经译码器选择某一外部设备。因此，在接口电路中设有地址锁存与译码器。

3.状态与控制信号状态信号反映的是外设的工作状态，存于接口中的状态寄存器，以便CPU读取检查。控制信号是CPU向外设发出的I/O控制命令，经接口传送给外部设备，实现相应的I/O操作。通过接口电路还可增强信号的驱动能力。在I/O接口电路中，各寄存器都可作为一个端口而设定地址。CPU通过地址对其访问或者编程，比如设定参数，选择工作方式，读取状态标志或中断向量，传送数据等。

在I/O接口电路中，每一个可由CPU直接访问寄存器统称为端口，可对其分配地址，也称为编址，以便CPU访问。编址的方法有两种，即统一编址和独立编址。

1.统一编址统一编址是把外部设备的端口地址与存储器地址统一编排。也就是说，在主存空间中划出一部分区域用作I/O地址，使输入输出变成对某个地址单元的读/写操作，CPU可使用访问主存的指令访问外部设备，而不需要专门的I/O指令。但是，I/O端口占用了主存地址空间，使主存减少。5.1.4I/O端口编址

2.独立编址独立编址是对I/O端口和主存分别编址，两者的地址都是从0开始。CPU访问时，通过专门的选通信号确定地址总线上传送的是I/O地址还是主存地址。采用独立编址，I/O地址不占用主存空间，但是需要专I/O指令。目前的Pentium微处理器采用的就是这种独立编址方式。另外，也可以把二者结合起来，构成混合编址方式。即一部分址独立，一部分与主存空间合为一体。

5.1.5I/O接口分类

接口处于主机与外部设备之间，有多种类型，而且按照不同的特征或应用又有不同的分类方式。

1.按照传输信号分类按照传输信号分类，可分为数字量输入输出接口和模拟量输入输出接口。对于数字量信号，计算机可以通过数字量接口直接与输入输出设备连接。对于模拟信号，则要通过A/D或D/A转换器进行转换

2.按照传输数据方式分类按照传输数据的方式分类，可分为并行I/O接口和串行I/O接口。

（1）并行I/O接口：是多位数据同时传送，传输线的宽度与数据位数一致，而且各条数据线的电气特性也要一致。因此，传输效率高，成本较高，传输距离受到限制。

（2）串行I/O接口：即按位传输，传输线少，效率较低，成本低，适合远距离传送。由于在计算机中数据是并行存储与处理的，因此串行接口必须配有并/串和串/并转换电路。

3.按照传输控制方式分类按照传输控制方式分类，可分为直接/查询传送方式、中断控制和DMA传送方式。另外，还有通道和I/O处理机等。5.2输入/输出控制方式

5.2.1直接传送方式5.2.2程序查询传送方式5.2.3中断控制输入/输出方式5.2.4直接存储器存取（DMA）方式5.2.5通道控制方式与I/O处理器

计算机外部设备的种类很多，不同的设备因其工作原理与性能的不同，具有不同的输入输出方式。这一点决定了CPU对外部设备要有不同的控制方法；同时还要有相应的接口电路。目前，计算机所采用的输入输出方式主要有直接传送方式、程序查询方式、中断控制方式、直接存储器存取（DMA）方式、通道方式以及I/O处理机方式等。5.2.1直接传送方式

直接传送方式也称为无条件传送方式，它要求外部设备时刻处于就绪状态，随时可接收CPU传送的数据，或者由CPU执行读操作，而不需要CPU去判断外部设备处于何种状态。

1.直接输入如图5-2所示，数据输出锁存器与CPU的数据总线直接连接。当CPU执行输出指令时，由系统总线输出地址、IO/M信号、数据和读命令RD；经过地址译码、IO/M选择和写驱动后，输出数据写入输出锁存器，并送输出设备。

图5-2

2.直接输出如图5-3所示，数据输出锁存器与CPU的数据总线直接连接。当CPU执行输出指令时，由系统总线输出地址、IO/M信号、数据和写命令WR；经过地址译码、IO/选择和写驱动后，输出数据写入输出锁存器，并送输出设备。图5-3

3.应用举例

【例5.1】如图5-4所示，其中输入设备是８个开关S7～S0，经三态缓冲器74LS244与系统总线连接；输出设备是８个发光二极管Q7～Q0，连接在锁存器74LS273的输出端；完成的功能是扳动输入开关，控制发光二极管发光。

解：(1)电路中地址译码信号与相“或”(负逻辑“与”)后，选通74LS244，可读入8个开关信号S7～S0；地址译码信号与相“或”

(负逻辑“与”)后，驱动74LS273，锁存CPU输出的数据。

(2)扳动开关S7～S0，设定某种状态，然后由CPU执行下面的程序。

MOVDX，81F4H；取端口地址81F4H→DXINAL,DX;读开关状态

OUTDX,AL;输出信号S7～S0图5-45.2.2程序查询传送方式

程序查询传送方式的控制流程如图5-5所示，通过程序来控制主机和外部设备之间的数据传送。在这种方式中，接口要设有状态端口、控制端口和数据端口，其示意如图5-1所示图5-5

1.查询方式输入首先执行输入指令，读状态端口，并判断外设数据是否准备好。若准备就绪，CPU再次执行输入指令从数据端口读取数据，同时经控制端口向外设发“数据已接收”信号，以使外设继续准备下一数据。若外设处于未准备好状态，CPU循环查询，等待外设准备好。

2.查询方式输出首先执行输入指令，读状态端口，并判断外设是否准备好接收数据。若准备就绪，CPU执行输出指令通过数据端口输出数据，同时从控制端口向外设发数据输出信号，启动外设接收数据。若外设处于未准备好状态，CPU循环查询，等待外设准备好。

3.应用举例

【例5.2】

如图5-6所示接口电路，是以查询传送方式与微机系统连接传送数据。通过编程，把主存中从D2000H单元开始的1000个数据输出给外部设备。

解：(1)数据端口、控制端口均由锁存器74LS273组成，端口地址分别为02F8H和02F9H；状态端口由三态门74LS244组成，端口地址为02FAH。地址选择信号由3～8译码器74LS138产生。

(2)外部设备只能在不忙(BUSY=0)时，接收数据；数据线上的数据D7～D0由信号选通输入给外设；外设接收数据后，进行处理，并使标志BUSY=1；数据处理完后，BUSY=0，可接收新的数据。信号BUSY连接到状态端口74LS244上，CPU执行IN指令可读端口02FAH的值，测试D7位，即判定外设BUSY信号。CPU执行OUT指令，向控制端口02F9H发控制字，由控制字的D0位产生选通信号。图5-6查询方式输出接口电路(3)I/O控制程序：DAOUT:MOVAX，0D200HMOVDS，AXMOVBX，0；初始化内存首地址

MOVCX，1000；初始化计数器

MOVDX，02F9HMOVAL，01HOUTDX，AL；初始化选通信号

NEXT:MOVDX，

02FAH

WAIT:INAL，DXANDAL，80HJNZWAIT；状态查询

MOVDX，02F8HMOVAL，[BX]OUTDX，AL；数据输出

MOVDX，02F9HMOVAL，00HOUTDX，AL；产生选通信号

CALLDLY100MS；DLY100MSMOVAL，

01H

OUTDX，

ALINCBX；修改内存指针

LOOPNEXT；输出次数的循环控制

RET5.2.3中断控制输入/输出方式

由于CPU的速度很快，而外部设备的速度常常很慢。为了不在数据传送时因等候外设的工作而影响CPU的效率，常采用中断的方式进行控制。

1.中断处理过程中断控制是在CPU启动外部设备工作后继续执行原来的程序，而外设进行数据传送的准备工作。当外设准备好后，向CPU发中断请求信号，CPU响应后，暂停正在运行的程序，转入中断服务程序，进行数据传送，传送完毕返回被中断的位置，继续执行原来的程序，其示意如图5-7所示。

为了实现中断控制，需由专门的接口电路把外设的中断请求信号传送给CPU，同时提供中断服务程序的入口地址。CPU根据入口地址转入相应的服务程序。若有多台设备同时请求，需能确定首先为哪一台设备服务。

图5-7

2.中断控制方式的特点外部设备作为CPU的一个中断源，以中断的方式与CPU传送数据。CPU仅当响应外设的中断请求后才去执行输入输出程序，其余时间执行主程序。其优点是外设可与CPU并行工作，解决了外设速度慢、主机速度快的矛盾，节省了CPU的时间。但是，接口电路复杂，除具备一般数据输入输出的功能外，还要传送中断请求与响应信号；在CPU响应中断请求时，向CPU提供中断向量；在有多个中断源时，可排队判优。为了满足中断控制方式的需要，目前已有多种中断控制接口电路，比如常用的Intel8259等。有关Intel8259的组成与使用，将在第8章介绍。5.2.4直接存储器存取（DMA）方式

直接存储器存取DMA（DirectMemoryaccess）方式是在外设与存储器之间不经CPU控制，直接传送数据，如图5-8所示。因此，需要在CPU与I/O设备之间增加一个DMA控制器。图5-8

当外部设备需要与主存交换数据时，首先向DMA控制器发出DMA请求信号DMARQ，DMA控制器收到请求信号后，向CPU发出总线请求信号BUSRQ；CPU响应总线请求后，向DMA控制器发总线响应信号BUSAK，同时让出总线控制权。这时，CPU只能执行不使用总线的内部操作或暂停。

当DMA控制器收到信号后，接受总线控制权，向I/O设备发DMA响应信号，同时选通I/O接口。如果是由存储器向I/O设备输出数据，DMA控制器发存储器地址和读命令，将主存中的数据读到数据总线上，接着发I/O写命令，写入I/O接口（即外设中）。

如果是由I/O设备向主存输入数据，DMA控制器发I/O读命令，将I/O设备中的数据读到数据总线上，接着发存储器地址和写命令，写入主存单元中。传送一个字节数据后，DMA控制器修改地址，指向主存的下一单元，且计数器减1计数。如果没有传送完，重复上述过程。如果传送结束，DMA控制器撤销总线请求信号DMARQ，归还总线控制权。

主要特点是传送过程由硬件电路控制，一个总线周期传送一个字节，效率高，速度快，且不破坏CPU的现场数据，不存在保护现场和恢复现场的过程，但是硬件电路复杂。常用接口有Intel8237A或其它包含8237功能的多功能组合芯片。5.2.5通道控制方式与I/O处理器

在大、中型计算机系统中，配置的I/O设备很多，于是DMA控制器发展成了通道控制器。

1．I/O通道（I/OChannel）

“通道”是一个专用的名称，相对独立，有较强的自治能力。早期主要由用于数据输入输出的CPU构成，可配置简单的输入输出程序。它接收主CPU的命令，控制数据传送，可与主CPU并行工作。输入输出程序可以在主存中，也可以在通道的局部存储器中。主CPU一旦启动通道工作，通道CPU即从主存或通道存储器中取出相应的程序，控制数据的输入输出。

2.I/O处理器（IOP）随着通道技术的发展，通道CPU发展成I/O处理器（I/OProcessor），也称为I/O处理机，主要由一个进行I/O操作的CPU、内部寄存器、局部存储器以及设备控制器组成。可有多个通道，分别与多个设备控制器连接。而一个设备控制器可控制多台外设工作。在实际使用中，I/O处理器与主CPU构成多处理器（或称