微机原理及应用 输入输出接口 LY学习资料

主讲人：刘艳医学仪器教研室第6章

输入/输出接口及中断技术第6章输入/输出接口及中断技术6.1输入/输出接口概述6.2CPU与外设间的数据传送方式6.3中断技术6.4可编程中断控制器8259A6.1输入/输出接口概述1.接口的必要性2.接口的功能3.信息种类4.I/O编址方式

能够完成输入/输出操作的设备就叫输入/输出设备，简称外设或I/O设备。什么是I/O设备？什么是I/O接口？I/O接口是把CPU与外设连接起来实现数据传送的中间控制电路。CPU接口电路

I/O设备I/O接口与I/O设备的关系不同的I/O设备对应的I/O接口不同；I/O接口受CPU控制，I/O设备受I/O接口控制；微机应用离不开外设接口设计、选用和连接。(1）微机的外部设备多种多样；(2）CPU在与I/O设备进行数据交换时存在速度不匹配、时序不匹配、信息格式不匹配、信息类型不匹配；(3）它们不能与CPU直接相连，必须经过中间电路再与微机系统相连。1.I/O接口的必要性多种多样的外设工作原理不同机械、电子、机电、电磁……传送信息类型多样数字量、模拟量、开关量传送速度差别极大传送方式不尽相同串行、并行编码方式不同二进制、BCD码、ASCII码……返回2.I/O接口的主要功能

为了实现CPU与外设之间的高效、可靠的信息交换，微机接口应具有以下功能：（1）数据缓冲功能为了解决高速CPU与低速外设间的速度匹配问题。（2）设备选择功能CPU在同一时刻只能与一个外设交换信息，而如何在众多的外设中找到需要操作的外设？这就需要通过接口中的地址译码电路对外设进行寻址。I/O接口的主要功能（3）信号转换功能（4）提供信息交换的握手信号

由于外设的功能，用途不同，因此各外设所提供的数据，状态和控制信号的电平往往与微机的总线电平不兼容，因此接口电路对信号的转换是不可避免的。

为了使CPU能与外设间联络，必须在接口电路中提供“空”“满”，“准备好”，“忙”等状态信号，以便CPU可以了解是否能发送数据到外设或从外设读取数据。I/O接口的主要功能（5）中断管理功能（6）可编程功能

在一些外设需要及时得到CPU响应的情况下，通过在接口芯片中设置中断控制器，为CPU提供中断事务。这样既增加了微机系统对外设随机事件的处理能力，又使CPU可以与外设并行工作，提高了CPU的利用率。

即工作方式的可选择性。通过向外设的接口芯片中写入不同的命令，选择外设工作于不同的方式之下，增加了接口的灵活性和可扩充性I/O接口的主要功能：（5）中断管理功能（6）可编程功能（3）信号转换功能（4）提供信息交换的握手信号（1）数据缓冲功能（2）设备选择功能3.I/O接口信息种类(1)数据信息：送入CPU进行加工处理的信息或输出到外设的运算结果。数字量（从键盘读入的信息，打印机输出的信息）模拟量（如温度、压力、位移、电流等）开关量（如开关的断开与闭合）(2)控制信息：是CPU发出的，用以控制外设的工作方式或外设的启动和停止。(3)状态信息：反映了外设当前所处的工作状态，是外设通过接口送给CPU的信号。外设与计算机系统连接的接口模型

数据端口提供了外设与计算机系统间数据交换的通道，控制端口传递CPU发给外设的控制命令，状态端口将外设的工作状态反应给CPU。端口（PORT）端口泛指I/O地址，通常对应寄存器。一个接口电路可以具有多个I/O端口，每个端口用来保存和交换不同的信息。数据寄存器、状态寄存器和控制寄存器占有的I/O地址常依次被称为数据端口、状态端口和控制端口，用于保存数据、状态和控制信息。输入、输出端口可以是同一个I/O地址。一定要理解返回4.I/O接口的编址方式（1）存储器映像方式（统一寻址方式）

把一个I/O端口看作是一个存储单元，内存与外设占用同一个地址空间。优点：操作I/O端口与操作存储器使用相同的指令，从而减少了指令。缺点：对I/O端口操作速度慢，内存空间相对减少。（2）I/O映像方式（独立寻址方式）I/O端口与存储器在两个相互独立的地址空间中。优点：访问I/O速度快，不占用计算机的有效内存。缺点：使用专门的I/O指令，增加了指令数。存储器映像编址存储单元I/O端口2201M内存单元21664KI/O端口独立编址方式I/O端口的寻址方式第6章输入/输出接口及中断技术6.1输入/输出接口概述6.2CPU与外设间的数据传送方式6.3中断技术6.4可编程中断控制器8259A6.2CPU与外设间的数据传送方式1.程序控制方式（1）无条件传送方式（2）查询传送方式3.DMA方式2.中断控制方式1.程序控制方式通过CPU执行程序中的I/O指令来完成传送。（2）查询传送（1）无条件传送在CPU与慢速变化的设备交换数据时，可以认为它们总是处于“就绪”状态，随时可以进行数据传送，这就是无条件传送，或称立即传送、同步传送；适合于简单设备，如LED数码管、按键或按钮等；无条件传送的接口和操作均十分简单，但前提是：外设必须随时就绪。(1)无条件传送方式及其接口无条件传送：输入示例无条件传送：输入实例74LS244+5V10Kx8G1G2数据总线160HRD无条件传送：输出示例无条件传送：输出实例+5V74LS373300

x8LEOE数据总线160HWR(2)查询传送方式及其接口CPU需要先了解（查询）外设的工作状态，然后在外设可以交换信息的情况下（就绪）实现数据输入或输出；对多个外设的情况，则CPU按一定顺序依次查询。先查询的外设将优先进行数据交换；查询传送的特点是：工作可靠，适用面宽，但传送效率低。查询传送的两个环节输入状态就绪？数据交换YN⑴查询环节寻址状态口读取状态寄存器的标志位若不就绪就继续查询，直至就绪⑵传送环节寻址数据口是输入，通过输入指令从数据端口读入数据是输出，通过输出指令向数据端口输出数据6.2CPU与外设间的数据传送方式1.程序控制方式（1）无条件传送方式（2）查询传送方式3.DMA方式2.中断控制方式2.中断控制方式

使用查询方式，CPU必须检测接口电路的状态寄存器，如果设备未准备好，CPU就要不断地查询，降低了CPU的运行效率。中断方式：当外设作好传送准备后，主动向CPU请求中断，CPU响应中断后在中断处理程序中与外设交换数据。若外设未准备好，CPU可以执行其它程序，提高了CPU的利用率。断点主程序中断服务程序中断请求对外设进行处理继续执行返回断点CPU在执行程序中，被内部或外部的事件所打断，转去执行一段预先安排好的中断服务程序；服务结束后，又返回原来的断点，继续执行原来的程序。中断控制方式6.2CPU与外设间的数据传送方式1.程序控制方式（1）无条件传送方式（2）查询传送方式3.DMA方式2.中断控制方式DMA：直接存储器存取DMA方式是一种由专门的硬件电路执行I/O的数据传送方式，它可以让外设接口直接与内存进行高速的数据传送，而不必经过CPU。这种专门的硬件电路称为DMA控制器，简称DMAC。3.DMA传送方式

对于高速外设（如磁盘、高速A/D），中断方式不能满足数据传输速度的要求。DMA传送方式克服程序控制传送的不足：外设→CPU→存储器外设←CPU←存储器直接存储器存取DMA：外设→存储器外设←存储器CPU释放总线，由DMA控制器管理。4.传送方式比较无条件传送：慢速外设需与CPU保持同步；查询传送：简单实用，效率较低