微型计算机的输入输出.ppt

微型计算机的输入输出.ppt

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微机原理及应用,机械工程学院,2,目录,6.1输入/输出接口概念,6.2输入/输出的控制方式,6.3输入/输出端口地址与指令操作,学习目标,1、掌握输入输出接口的基本概念2、掌握输入输出的相关控制方式原理3、掌握输入输出端口地址译码与指令操作,重点内容1、输入输出接口的功能与特点2、输入输出各控制方式的特点3、8086CPU输入输出地址译码与指令操作,学时:

3,4,目录,6.1输入/输出接口概念,6.2输入/输出的控制方式,6.3输入/输出端口地址与指令操作,6.1输入/输出接口概念,1、为什么要接口电路?

多种外设,微机的外部设备多种多样,因此，外设不能与CPU直接相连，必须经过中间电路再与系统相连，这部分电路被称为I/O接口电路。

外部设备数据格式、工作速度差别很大,2、什么是I/O接口（电路）？

接口在CPU与外设之间,I/O接口是位于系统与外设间、用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路，接口就是CPU与外设的连接部件,通常包含一组能够与处理器交换信息的寄存器或缓冲器，称为I/O端口。

PC机系统板的可编程接口芯片、I/O总线槽的电路板（适配器）都是接口电路,3、I/O接口的主要功能,对输入输出数据进行缓冲和锁存输出接口有锁存环节；输入接口有缓冲环节实际的电路常见：

输出锁存缓冲环节、输入锁存缓冲环节,对信号的形式和数据的格式进行变换微机直接处理：

数字量、开关量、脉冲量（对模拟量微机不能直接处理，要转换！

）,对I/O端口进行寻址与CPU和I/O设备进行联络,4、I/O接口的典型结构,数据端口:

存放CPU与外设之间传送的数据信息。

状态端口:

反映当前外设所处的工作状态。

控制端口:

CPU通过接口向外设传送控制信息。

5、CPU和I/O设备间的接口信息,CPU和I/O设备间的交换的信息：

数据信息：

外设的数据状态信息：

I/O设备的状态控制信息：

CPU的控制信息,主要接口芯片计数器/定时器8253并行接口8255中断控制器8259DMA控制器8237串行接口8250/8251,提问：

CPU和输入/输出设备之间传送的信息有哪几类？

一般的IO接口电路安排有哪三类寄存器？

它们各自的作用是什么？

12,目录,6.1输入/输出接口概念,6.2输入/输出的控制方式,6.3输入/输出端口地址与指令操作,6.2输入/输出的控制方式,程序控制方式同步传输方式（无条件传送方式）异步查询方式（条件传送方式）中断控制方式直接存储器存取方式（DMA控制方式）输入输出处理机控制方式,1、程序控制方式,1）、同步传输方式（无条件传送方式）,由程序控制CPU与外设之间的数据交换。

传送过程：

外设已准备好，不查询外设的状态输入时，外设的数据已送到三态缓冲器。

输出时，CPU的输出信息已送到输出锁存器的输入端。

用途：

用于简单外设开关LED显示器,前提：

外设必须随时就绪,1）、同步传输方式（无条件传送方式）,选中地址,数据,写信号,读信号,输出端口,无条件传送的工作原理,输入端口,缓冲器74LS244,锁存器74LS273,例1：

输入：

INAL，80H；80H端口内容为10H将80H端口的内容送AL。

IO/M=1，RD=0，AL=10H,例2：

输出：

OUT82H，AL；AL=10H将AL中的内容送82H端口。

IO/M=1，WR=0，（82H）=10H,查询式数据传送过程3个环节：

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,2）、异步查询方式（条件传送方式）,查询状态环节CPU寻址状态口，读取状态字,检测是否满足“就绪”条件如果不满足，回到第一步读取状态字；,数据传送环节外设已处于“就绪”状态，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,特点：

工作可靠，适用面宽，但传送效率低,在输入场合“就绪”说明输入接口已准备好送往CPU的数据，正等着CPU来读取该状态也可用接口中数据缓冲器已“满”来描述在输出场合“就绪”说明输出接口已做好准备，等待接收CPU要输出的数据该状态也可用接口数据缓冲器已“空”、或者用接口（外设）“闲”或不“忙（Busy）”来描述,就绪：

满，空、闲、不忙,1）查询式输入,1、STB有效，

（1）、输入设备数据进入锁存器；

（2）、IBF有效2、CPU读状态端口3、CPU读数据端口，同时清IBF,STB,IBF,例3：

设有某输入接口，状态口地址83H,数据口地址80H,当状态口的D7为1时,数据准备好。

试编写查寻式输入一个数据的程序；,POLL：

INAL，83HTESTAL，80H；检查状态位D7JZPOLL；D7=0,没就绪，继续查询INAL，80H；D7=1,就绪，从数据端口；读入数据,CPU查询外设状态是否忙,不忙,执行输出;否则等待。

2）查询式输出：

1、CPU读状态端口，查BUSY线2、CPU写数据，

（1）、数据进入数据锁存器；

（2）、BUSY有效3、输出设备工作完毕，busy无效,例4：

设有某输出接口，状态口地址63H,数据口地址60H,当状态口的D0为1时,输出忙BUSY，D0为0时，可以输出数据。

试编写查寻式输出DAT单元一个数据的程序。

查询部分的程序：

POLL：

INAL，63H；读入状态TESTAL，01H；检查忙标志D0JNZPOLL；D0=1,未就绪，继续查询MOVAL，DAT；D0=0,就绪,数据送ALOUT60H，AL；将数据输出到数据端口,提问：

条件传送方式的工作原理是怎样的？

主要用在什么场合？

画出条件传送（查询）方式输出过程的流程图。

查询式传送方式有什么优缺点？

优点：

电路简单缺点：

降低CPU效率，实时性不强,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,3）、中断传送方式,3）、中断传送方式,3）、中断传送方式的原理,启动外设外设准备好数据,发一个选通信号外设向CPU发中断请求CPU受到中断请求信号，暂停现行程序CPU执行中断服务程序，执行输入输出操作中断服务程序结束，返回原来程序,中断过程大致分为：

中断请求：

由需要提供中断服务程序的设备提出；,中断响应：

CPU给设备发出一个中断应答信号；,现场保护：

保护执行中断服务程序前的各种信息；,执行中断服务程序：

完成特定的操作；,退出中断服务程序：

恢复现场。

中断传送方式的特点,中断传送是一种效率更高的程序传送方式,进行传送的中断服务程序是预先设计好的,中断请求是外设随机向CPU提出的,CPU对请求的检测是有规律的：

一般是在每条指令的最后一个时钟周期采样中断请求输入引脚,提问：

1、查询式传送方式有什么优缺点？

中断方式为什么能弥补查询式传送方式的缺点？

2、直接存储器存取方式（DMA）（DirectMemoryAccess）,DMA特点：

具有接管和控制系统总线的功能，但在取得总线控制权之前，与其它接口芯片一样，受CPU的控制。

在DMA方式，DMA管理总线，控制传送数据的开始与结束，传送的字节数，传送的方向及地址。

希望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方式用专用接口电路直接和存储器进行数据传送。

外设存储器外设存储器,为什么要用DMA方式传送数据？

DMA的功能有哪些？

能接受外设的请求，并能向CPU发DMA请求信号；CPU接到DMA请求信号，如果允许，CPU发DMA响应信号，DMA控制器接管总线，进入DMA方式；能寻址存储器，并修改地址；能向外设发读/写信号；能控制传送的字节数，判断DMA是否结束；DMA结束时，能向CPU发出结束信号，将总线控制权交还CPU；,4、输入/输出处理机控制方式,对于有大量输入/输出设备的微机系统，DMA控制方式已不能满足这种需要。

Intel公司生产与86系列配套的输入/输出处理机（IOP）8089,86系列CPU必须工作在最大工作模式。

几种数据传送方式特点？

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，硬件开销小中断传送：

外设主动，可与CPU并行工作，但中断服务保护现场等需要额外时间开销，需要硬件开销进行中断管理DMA传送：

DMAC控制，外设直接和存储器进行数据传送，适合大量、快速数据传送,需要硬件开销输入输出机传送:

输入输出机（IOP）控制,适合大量输入/输出设备,与CPU可并行工作,需要硬件开销,38,目录,6.1输入/输出接口概念,6.2输入/输出的控制方式,6.3输入/输出端口地址与指令操作,1、I/O端口编址方式,概念I/O端口:

是接口电路中CPU能访问的寄存器的地址.I/O操作:

CPU对I/O接口电路（与设备相关）的操作.不是访问I/O设备.,端口编址方式两种方式,将存储器与外设端口统一编址（存储器映像的I/O寻址）外设端口单独编址（I/O映像的I/O寻址）,6.3输入/输出端口地址与指令操作,I/O端口,存储单元,I/O地址空间,存储器地址空间,整个地址空间,1）.存储器与外设端口统一编址（存储器映像的I/O寻址）,优点：

可以用访向存储器的指令来访问I/O端口，而访问存储器的指令功能比较强，不仅有一般的传送指令，还有算术、逻辑运算指令，以及各种移位、比较指令等，并且可以实现直接对I/O端口内的数据进行处理。

缺点：

由于I/O端口占用了一部分存储器地址空间，因而使用户的存储地址空间相对减小。

另外不利于程序阅读。

1）.存储器与外设端口统一编址（存储器映像的I/O寻址）,存储单元,存储地址空间,I/O端口,I/O地址空间,2）.外设端口单独编址（I/O映像的I/O寻址）,优点：

第一，I/O端口不占用存储器地址，故不会减少用户的存储器地址空间；第二，采用单独的I/O指令，使程序中I/O操作和其他操作层次清晰，便于理解。

缺点：

第一，单独I/O指令的功能有限，只能对端口数据进行输入/输出操作，不能直接进行移位、比较等其他操作；第二，由于采用了专用的I/O操作时序及I/O控制信号线，因而增加了微处理器本身控制逻辑的复杂性。

2）.外设端口单独编址（I/O映像的I/O寻址）,

（1）、地址线：

A15A0（寻址64K）,8086系统的特点：

2）.外设端口单独编址（I/O映像的I/O寻址）,（3）、用I/O指令,2、8086CPU的IO指令,

（1）直接寻址输入输出指令（八位端口地址）INAL，n（字节输入）INAX，n（字输入）OUTn，AL（字节输出）OUTn，AX（字输出）,

（2）DX寄存器间接寻址输入（十六位端口地址）INAL，DX（字节输入）INAX，DX（字输入）OUTDX，AL（字节输出）OUTDX，AX（字输出）,3、有关端口地址问题,a、8086CPU与外设交换数据可以字或字节进行；,b、当以字节进行时，偶地址端口的字节数据由低8位数据线D7D0位传送，奇地址端口的字节数据由高8位数据线D15D8传送；,c、当用户在安排外设的端口地址时，如果外设是以8位的方式与CPU连接，就只能将其数据线或者与CPU的低八位或者与高八位连接，这样同一台外设的所有寄存器端口地址都只能是偶地址或是奇地址，这时设备的端口地址就会是不连续的。

小结,1.输入输出接口的概念，要求达到“理解”层次。

a.输入输出接口的功能与特点。

2.输入输出控制方式，各自的特点。

a.掌握同步传输方式的原理及特点。

b.掌握异步传输方式的原理及特点。

初步掌握中断控制方式的原理及特点。

了解直接存储器存取方式。

了解输入输出处理机控制方式。

3.输入输出端口地址译码与指令操作，要求达到“掌握”层次。