5.1-2

null第六章 输入/输出第六章 输入/输出5.1 概述 5.1.1 外设接口的功能 5.1.2 接口与端口 5.1.3 I/O端口的编址方式 5.2 数据传送的控制方式 5.2.1 程序控制传送方式 本章学习目的本章学习目的掌握输入/输出接口电路的基本概念、掌握I/O端口编址方法和特点。 掌握CPU与外设数据传送的方式。 5.1 概述5.1 概述5.1.1 外设接口的功能 一个简单的微机系统需要CPU、存储器、基本的输入／输出系统以及将它们连接在一起的各种信号线和接口电路。 外部设备通过接口电路和系统总线相联，接口电路的作用是把计算机输出的信息变成外设能够识别的信息，把外设输入的信息转化成计算机所能接受的信息。 外设接口电路应具有如下功能: 转换信息格式(例如串/并,并/串转换,配备校验位等) 提供联络信号(协调数据传送状态,如:“就绪”、“忙”；数据“满”、“空”等) 协调定时差异(完成计算机与外设之间数据传送处理速度匹配问) (4) 进行译码选址(在具有多台外设的系统中,接口必须提供地址译码功能) (5) 实现电平转换(为使计算机与外设之间电平匹配,接口必须提供电平转换) (6) 具备时序控制(接口必须满足计算机与外设的时序) (7) 最好可编程序(对一些通用的接口,应具有可编程功能) 5.1.2 接口与端口 5.1.2 接口与端口1. 两个概念 接口: 接口是CPU与外设之间传送信息的一个“界面”或一个“连接部件”。外设通过CPU的三总线与CPU连接；同样CPU也是通过三总线与外设进行连接的。接口是由端口组成。 端口: “接口”中可以与CPU进行读写的寄存器被称之为“端口”(Port),按存放的信息的类型,可分为“数据端口”、“状态端口”、“控制端口”。nullCPU与I/O设备之间的接口信息 1)．数据（Data） 在微型机中，数据通常为8位、16位或32位。它大致可以分为三种基本类型： （1）数字量 （2）模拟量 （3）开关量 2)．状态信息（Status） 在输入时，有输入设备是否准备好（Ready）的状态信息；在输出时，有输出设备是否有空（Empty）的状态信息，若输出设备正在输出，则以忙（Busy）指示等等。 3)．控制信息（Control） 控制输入输出设备启动或停止等的状态信息。状态信息和控制信息与数据是不同性质的信息，必须要分别传送。但在大部分微型机中（8086也如此），只有通用的IN和OUT指令，因此，外设的状态也必须作为一种数据输入；而CPU的控制命令也必须作为一种数据输出。所以，一个外设往往要几个端口地址，CPU寻址的是端口，而不是笼统的外设。 5.1.3 I/O端口的编址方式 5.1.3 I/O端口的编址方式一、 I/O端口独立编址 独立编址方式的硬件结构及地址空间分配如下图所示。nullnull独立编址方式的特点：存储器和I/O端口在两个独立的地址空间中，用不同的指令来访问存储器和I/O端口，用MOV指令来访问存储器，用IN和OUT指令来访问I/O端口。 优点： I/O端口的地址码较短，译码电路简单；访问存储器和I/O端口的指令不同，程序比较清晰；存储器和I/O端口的控制结构相互独立，可以分别设计。 缺点：需要专用的IN和OUT指令，而这些指令的功能不如存储器访问指令丰富，程序设计的灵活性较差。null二、存储器映象编址（统一编址） 在这种方式中，把一个外设端口作为存储器的一个单元来对待，故每一个外设端口占有存储器的一个单元地址。从外部设备输入一个数据，作为一次存储器读的操作；而向外部设备输出一个数据，则作为一次存储器写的操作。 这种方式的优点是： （1）CPU对外设的操作可使用全部的存储器操作指令，故指令多，使用方便。如可以对外设中的数据（存于外设的寄存器中）进行算术和逻辑运算，进行循环或移位等。 （2）I/O端口的地址空间是内存空间的一部份发，这样， I/O端口的地址空间可大可小，从而使外设的数目几乎可以不受限制。 缺点是： I/O端口占用了内存空间的一部分，使内存容量减小；访问I/O端口的时间长。（如图6-3所示）null5.2 数据传送的控制方式5.2 数据传送的控制方式 微机系统中，数据传送的控制方式主要有程序控制方式和DMA（直接存储器存取)方式。 5.2.1 程序控制传送方式 无条件传送方式 查询传送方式 中断传送方式 这类传送方式的特点是以CPU为中心，通过预先编制好的输入或输出程序实现数据的传送。这种传送方式的数据传送速度较低，传送路径为外设→CPU →内存，同时数据的输入输出的响应也较慢。一、无条件传送方式 一、无条件传送方式 又称为“同步传送方式”。主要用于外设的定时是固定的并且是已知的场合，外设必须在微处理器限定的指令时间内准备就绪，并完成数据的接收或发送。通常的办法是：把I/O指令插入到程序中，当程序执行到该I/O指令时，外设必定已为传送数据作好准备，于是在此指令时间内完成数据传送任务。无条件传送是最简单的传送方式，它所需要的硬件和软件较少。 如书P221例图6-9所示：nullnull输入接口电路的地址为2F1H，输出接口电路的地址为2F0H。 输入数据传送 MOV DX, 2F1H IN AL, DX 输出数据传送 MOV AL, LEDST　－－01010101B MOV DX, 2F0H OUT DX, AL二、查询传送方式二、查询传送方式查询传送方式又称“异步传送方式”。CPU与I/O设备的工作往往是异步的，很难保证当CPU执行输入操作时，外设已把要输入的信息准备好了；而当CPU执行输出时，外设的寄存器（用于存放CPU输出数据的寄存器）一定是空的。所以，通常程序控制的传送方式在传送之前，必须要查询一下外设的状态，当外设准备就绪了才传送；若未准备好，则CPU等待。null1．查询式输入 在输入时，CPU必须了解外设的状态，看外设是否准备好。 当输入设备的数据已准备好后，发出一个 “准备好”Ready的状态信号。而数据与状态必须由不同的端口输至CPU数据总线。当CPU要由外设输入信息时，先输入状态信息，检查数据是否已准备好，当数据已经准备好后，才输入数据。若数据未准备好，则CPU等待。这种查询输入方式的程序流程图，如下图所示。null查询输入方式控制流程YN读入设备状态准备好？传送数据nullnull相应程序段为 AWAIT: IN AL, 29H TEST AL, 01H ;检测RDY JZ AWAIT IN AL，28H MOV　[BX], ALnull2．查询式输出 同样的，在输出时CPU也必须了解外设的状态，看外设是否有空，若有空，则CPU执行输出指令，否则就等待。 查询式输出的程序流程图如下图所示。null查询式输出程序流程图nullnullnullMOV AL, 00H;使STB＝0 OUT 32H，AL LEA SI，BUFFER；为存放打印变量名 AWAIT：IN AL，30H；检测BUSY和OBF状态 TEST AL，03H JNZ AWAIT MOV AL，[SI] INC SI OUT 31H, AH MOV AH, AL MOV AL, 80H；输出STB脉冲 OUT 32H, AL MOV AL, 00H OUT 32H, AL MOV AL, AH CMP AL, 0AH；是换行符吗？ JNZ AWAIT 三、中断传送方式三、中断传送方式 在上述的查询传送方式中，CPU要不断地询问外设，当外设没有准备好时，CPU要等待，不能进行别的操作，这样就浪费了CPU的时间。而且许多外设的速度是较低的，如键盘、打印机等等，它们输入或输出一个数据的速度是很慢的，在这个过程中，CPU可以执行大量的指令。为了提高CPU的效率，可采用中断的传送方式：在输入时，若外设的输入数据已存入寄存器；在输出时，若外设已把上一个数据输出，输出寄存器已空，由外设向CPU 发出中断请求，CPU就暂停原执行的程序（ 即实现中断），转去执行输入或输出操作（中断服务），待输入输出操作完成后即返回，CPU再继续执行原来的程序。这样就可以大大提高CPU的效率，而且允许CPU与外设（甚至多个外设）同时工作。中断过程如下图所示。null入口主程序中断服务程序中断源断点 中断过程nullnull传送流程演示6.3.2 DMA(直接存储器存取)传送方式6.3.2 DMA(直接存储器存取)传送方式 中断传送仍是由CPU通过程序来传送，每次要保护断点，保护现场需用多条指令，每条指令要有取指和执行时间。这对于一个高速I/O设备，以及成组交换数据的情况，例如磁盘与内存间的信息交换，就显得速度太慢了。 所以希望用硬件在外设与内存间直接进行数据交换（DMA），而不通过CPU，这样数据传送的速度的上限就取决于存储器的工作速度。但是，通常系统的地址和数据总线以及一些控制信号线（例如IO/等）是由CPU管理的。在DMA方式时，就希望CPU把这些总线让出来（即CPU连到这些总线上的线处于第三态—高阻状态），而由DMA控制器接管，控制传送的字节数，判断DMA是否结束，以及发出DMA结束等信号。这些都是由硬件实现的。null直接存储器存取是一种不需要CPU干预也不需要软件介入的高速数据传送方式。由于CPU只启动而不干预这一传送过程，同时整个传送过程只由硬件完成而不需要软件介入，所以其数据传送速率可以达到很高。在DMA传送方式中，对这一数据传送过程进行控制的硬件称为DMA控制器。 8237A就是一种高性能的可编程DMA控制器（DMAC）。