微型计算机的输入输出

2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 1 第 6章 微 型 计 算 机 的 基 本输 入 输 出机械系统计算机控制2008 机电学院 2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 2 6.1 CPU与 外 设 通 信 的 特 点 需 要 接 口 作 为 CPU与 外 设 通 信 的 桥 梁 ； 需 要 有 数 据 传 送 前 的 “ 联 络 ” ； 需 要 传 递 的 信 息 有 ： 状 态 、 数 据 及 控 制信 息 。 2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 3 6.1 CPU与 外 设 通 信 的 特 点I/O接 口 接 口 的 定 义 :是 完 成 数 据 、 地 址 和 控 制 三 总 线 转 换 和连 接 的 一 组 电 路CPU 数 据 总 线 DB地 址 总 线 AB控 制 总 线 CB 存 储 器RAMROM I/O芯 片8259825382558251 I/O设 备显 示 器打 印 机键 盘鼠 标 2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 4CPU I/O设 备译码 数 据 端 口状 态 端 口控 制 端 口 DBABCB 一 个 典 型 的 I/O接 口6.3 CPU与 外 设 通 信 的 接 口接口电路基本结构数据口（输入/输出）：双向；数据寄存器状态口：只能由CPU读入。状态寄存器控制口：只能由CPU写出。控制寄存器每个口由译码电路分配一个唯一的地址。 2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 5 6.1 CPU与 外 设 通 信 的 特 点 6.1.1接 口 的 用 途1.进 行 地 址 译 码 或 设 备 选 择 ；2.状 态 信 息 应 答 ， 以 协 调 数 据 传 送 之 前 的 准 备 工 作 ；3.进 行 中 断 管 理 ， 提 供 中 断 信 号 ；4.进 行 数 据 格 式 转 换 ；5.进 行 电 平 转 换 ；6.协 调 速 度 ；7.时 序 控 制 。8.对 数 据 传 送 的 控 制 ， 具 体 为 ： 锁 存 ， 隔 离 ， 驱 动 ，变 换 ， 连 络 ， 定 时 等 作 用 。 2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 6 6.1 CPU与 外 设 通 信 的 特 点 6.1.2 I/O端 口 的 寻 址 方 式1.存 储 器 映 像 寻 址 （ 统 一 编 址 ）2.I/O映 像 编 址 （ 独 立 编 址 ）此 时 ， 由 于 系 统 所 需 的 I/O远 少 于 存 储 单 元 ， 一 般只 设 置 256 1024， 因 此 只 需 要 8 10根 地 址 线 即 可 。 CPU与 外 部 设 备 通 信 ， 需 要 区 分 系 统 中 的 不 同 外 设 ， 就 必 须 为 每个 外 设 分 配 必 要 的 地 址 ， 为 了 与 存 储 单 元 地 址 相 区 别 ， 这 样 的地 址 称 为 端 口 地 址 。 一 个 外 设 可 以 有 多 个 端 口 地 址 。 端 口 地 址的 形 成 ， 类 似 存 储 器 地 址 的 形 成 。 2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 7 6.1 CPU与 外 设 通 信 的 特 点 6.1.3 I/O端 口 地 址 形 成I/O映 像 编 址 （ 独 立 编 址 空 间 ） 的 优 缺 点 ：优 点 ： 不 占 用 存 储 器 地 址 空 间 ； 地 址 线 数 较 少 ， 地址 译 码 较 简 单 ， 寻 址 速 度 快 ； 使 用 专 用 指 令 ， 程 序可 读 性 增 强 。缺 点 ： 专 用 指 令 少 ； 寻 址 方 式 单 一 ， 只 能 在 AX与 I/O之 间 交 换 信 息 ， 使 程 序 设 计 灵 活 性 差 ； 要 求 处 理 器 专 门 的 引 脚 ， 增 加 了 控 制 逻 辑 的 复 杂 性 ， 也 造 成 了CPU引 脚 数 的 增 加 。 2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 8 6.1 CPU与 外 设 通 信 的 特 点 6.1.3 I/O端 口 地 址 形 成1.存 储 器 映 像 寻 址（ 统 一 编 址 ）2.I/O映 像 编 址（ 独 立 编 址 空 间 ） 2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 9 6.2 输 入 输 出 方 式 6.2.1程 序 控 制 传 输 方 式 包 括 ： 程 序 控 制 方 式和 DMA方 式 。 包 括 ： 同 步 传 输 方 式 、 异 步 查 询 方 式 和 中 断 方 式 。 1.同 步 传 输 方 式 （ 无 条 件 传 输 方 式 ） 简 单 外 设 作 为 输 入 设 备 时 ， 输 入 数 据 时 间 相 对 于 CPU的 处 理 时间 长 很 多 ， 可 直 接 使 用 三 态 （ 1、 0、 高 阻 态 ） 缓 冲 器 和 数 据 总线 相 连 。 外 设 的 数 据 是 已 经 准 备 好 了 的 。 当 简 单 外 设 作 为 输 出 设 备 时 ， 一 般 需 要 锁 存 器 ， 使 CPU输 出 的数 据 能 够 保 持 一 段 时 间 直 到 数 据 被 取 走 。 显 然 也 要 求 CPU在 输出 数 据 时 要 确 认 输 出 锁 存 器 是 空 的 。 2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 10 6.2 输 入 输 出 方 式 6.2.1程 序 控 制 传 输 方 式2.异 步 查 询 方 式 （ 条 件 传 输 方 式 ） 也 称 为 程 序 查 询 方 式 。 CPU通 过 程 序 不 断 地 读 取 并 测 试 外 设 的 状 态 ， 如 果 外 设 处 于 准备 好 状 态 （ 输 入 设 备 ） 或 空 闲 状 态 （ 输 出 设 备 ） ， 则 CPU执 行输 入 或 输 出 指 令 ， 否 则 CPU处 于 循 环 查 询 状 态 。 为 此 ， 接 口 电路 除 了 有 数 据 端 口 外 ， 还 要 有 状 态 端 口 。 还 需 要 通 过 软 件 或 硬 件 进 行 优 先 级 排 序 。为 了 防 止 死 循 环 ， 应 该 在 查 询 流 程 中 设 置 一 个 等 待 超 时 值 。 2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 11 6.2 输 入 输 出 方 式 当 系 统 中 有 多 个 外 设 时 ， CPU要 对 所 有 外 设 进 行 巡 回 查询 。 查 询 方 法 ：（ 1） 每 个 设 备 对 应 一 个 状 态 端 口 ；（ 2） 一 个 状 态 端 口 中 顺 序 存 放 所 有 的 设 备 状 态 信 息 ；（ 3） 在 上 述 端 口 前 增 设 一 个 优 先 级 编 码 器 。 2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 12 6.2 输 入 输 出 方 式 6.2.1程 序 控 制 传 输 方 式3.中 断 方 式这 种 方 式 下 CPU与 外 设 处 于 并 行 工 作 状 态 ， CPU不 必 花费 大 量 的 时 间 去 查 询 外 设 的 工 作 状 态 ， 大 大 地 提 高 了CPU的 利 用 率 。 但 当 大 量 地 与 外 设 交 换 数 据 时 ， 有 可能 降 低 系 统 的 运 行 性 能 。 2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 13 6.2 输 入 输 出 方 式 6.2.2直 接 存 储 器 存 取 方 式 （ DMA） DMA是 直 接 存 储 器 存 取 （ Direct Memory Access） 的 简称 。 可 以 满 足 高 速 I/O设 备 与 RAM进 行 批 量 传 送 数 据 的 需要 。其 特 点 是 通 过 一 个 专 用 的 DMA控 制 器 ， 直 接 控 制 I/O设 备与 RAM的 数 据 传 输 ， 而 无 需 CPU介 入 。 即 用 硬 件 替 代 软 件实 现 数 据 传 输 。在 实 现 DMA传 输 时 ， 是 由 DMA控 制 器 直 接 掌 管 总 线 ， 因 此存 在 一 个 总 线 控 制 权 转 移 的 问 题 。 2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 14 6.3 CPU与 外 设 通 信 的 接 口 在 实 际 应 用 中 可 分 为 ： 专 用 接 口 和 通 用 接 口 ， 或 可 编程 接 口 和 不 可 编 程 接 口 ， 或 并 行 接 口 和 串 行 接 口 。状 态 信 息 和 控 制 信 息 也 是 通 过 数 据 总 线 传 递 的 ， 由 于它 们 的 性 质 不 同 于 数 据 信 息 ， 故 在 传 送 时 赋 予 不 同 的端 口 。因 此 一 个 外 设 往 往 占 有 几 个 端 口 ， 如 数 据 端 口 、 状 态端 口 、 控 制 端 口 等 。 这 样 一 来 ， CPU对 外 设 的 控 制 或CPU与 外 设 间 的 信 息 交 换 ， 实 际 上 就 转 换 成 CPU通 过I/O指 令 读 写 断 口 的 数 据 而 已 。 2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 15 6.3 CPU与 外 设 通 信 的 接 口 6.3.1 同 步 传 输 方 式 与 接 口 又 称 为 无 条 件 传 输 方 式 ， 主 要 应 用 于 外 设 的 时 序 和 控制 完 全 处 于 CPU控 制 之 下 的 场 合 。 这 类 设 备 必 须 在 CPU限 定 的 时 间 内 准 备 就 绪 ， 并 且 完 成 数 据 的 发 送 和 接 收 。 实 际 上 在 无 条 件 传 输 方 式 下 ， 外 设 总 是 处 于 “ 等 待 ”状 态 ， 只 要 简 单 地 将 I/O指 令 放 在 程 序 中 需 要 的 位 置既 可 。 2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 16 6.3 CPU与 外 设 通 信 的 接 口 6.3.1 同 步 传 输 方 式 与 接 口 1.同 步 输 入 方 式 1） 同 步 输 入 过 程提 供 端 口 地 址 ， 以 便 CPU从 指 定 的 外 设 中 取 入 数 据 ；执 行 IN指 令 或 存 储 器 读 指 令 ；地 址 译 码 器 输 出 ， 同 时 产 生 M/IO#和 RD#控 制 信 号 ；数 据 从 端 口 中 输 入 至 CPU寄 存 器 。 2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 17 6.3 CPU与 外 设 通 信 的 接 口 6.3.1 同 步 传 输 方 式 与 接 口 1.同 步 输 入 方 式 2） 同 步 输 入 硬 件 接 口 电 路为 了 防 止 CPU在 取 外 设 数 据时 ， 数 据 发 生 变 化 ， 往 往采 用 缓 冲 器 或 锁 存 器 把 外设 数 据 保 护 起 来 。 2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 18 6.3 CPU与 外 设 通 信 的 接 口 6.3.1 同 步 传 输 方 式 与 接 口 1.同 步 输 入 方 式 3） 缓 冲 器 74LS244 74LS244是 一 种 具有 三 态 输 出 的 8位缓 冲 器 。 2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 19 6.3 CPU与 外 设 通 信 的 接 口 2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 20 6.3 CPU与 外 设 通 信 的 接 口 6.3.1 同 步 传 输 方 式 与 接 口 2.同 步 输 出 方 式 1） 同 步 输 出 过 程提 供 端 口 地 址 ， 以 便 CPU将 数 据 送 到 指 定 的 外 设 ；执 行 OUT指 令 或 存 储 器 写 指 令 ；地 址 译 码 器 输 出 ， 同 时 产 生 M/IO#和 WR#控 制 信 号 ；CPU将 数 据 输 出 到 端 口 。 2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 21 6.3 CPU与 外 设 通 信 的 接 口 6.3.1 同 步 传 输 方 式 与 接 口 .同 步 输 出 方 式 2） 同 步 输 出 硬 件 接 口 电 路为 了 CPU数 据 准 确 传 输 到 目的 外 设 ， 除 了 提 供 正 确 的端 口 地 址 外 ， 还 需 将 数 据锁 存 或 功 放 后 ， 再 提 供 给外 设 。 2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 22 6.3 CPU与 外 设 通 信 的 接 口 6.3.1 同 步 传 输 方 式 与 接 口 .同 步 输 出 方 式 3） 8位 D锁 存 器 74LS273 74LS273是 8位 D锁 存 器 。 只 有当 CP#端 为 低 电 平 时 ， D0D7输 入 端 上 的 信 号 才 会 被 锁存 ， 并 在 Q0 Q7上 输 出 ； 当CP#端 为 高 电 平 时 ， 原 被 锁 存的 信 号 不 会 因 为 D0 D7上 信号 的 变 化 而 变 化 。 2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 23 6.3 CPU与 外 设 通 信 的 接 口 2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 24 6.3 CPU与 外 设 通 信 的 接 口 6.3.2 异 步 查 询 方 式 与 接 口 在 大 多 数 情 况 下 ， 外 设 不 会 处 于 CPU的 控 制 之 下 ， 常常 是 CPU和 外 设 的 工 作 不 同 步 。 简 单 的 方 法 是 采 取 异 步 查 询 方 式 ， CPU和 外 设 之 间 通过 “ 握 手 ” 信 号 进 行 交 流 ， 以 确 保 数 据 传 输 的 准 确 性 。 CPU检 测 外 设 的 状 态 端 口 ， 当 状 态 满 足 条 件 时 ， CPU与外 设 交 换 数 据 ； 否 则 ， CPU不 断 地 检 测 外 设 的 状 态 端 口 。 2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 25 6.3 CPU与 外 设 通 信 的 接 口 6.3.2 异 步 查 询 方 式 与 接 口 1.异 步 查 询 输 入 方 式 与 接 口 当 CPU从 慢 速 的 设 备 取数 据 时 ， 需 要 查 询 设备 是 否 已 经 准 备 好 。 2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 26 6.3 CPU与 外 设 通 信 的 接 口 6.3.2 异 步 查 询 方 式 与 接 口 1.异 步 查 询 输 入 方 式 与 接 口 2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 27 6.3 CPU与 外 设 通 信 的 接 口 6.3.2 异 步 查 询 方 式 与 接 口 1.异 步 查 询 输 入 方 式 与 接 口 SPORT EQU 300H ； 状 态 端 口 DPORT EQU 310H ； 数 据 端 口 TEST1: MOV DX, SPORT IN AL, DX ； 读 取 状 态 信 息 TEST AL, 01 ； 检 查 D0位 JZ TEST1 ； 为 0， 表 示 无 数 据 输 入 MOV DX, DPORT ； 为 1， 读 入 数 据 IN AL, DX 2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 28 6.3 CPU与 外 设 通 信 的 接 口 6.3.2 异 步 查 询 方 式 与 接 口 2.异 步 查 询 输 出 方 式 与 接 口 当 CPU向 慢 速 的 设 备 发 送 数据 时 ， 需 要 查 询 设 备 是 否已 经 准 备 好 。 若 外 设 没 有 取 走 前 一个 数 据 ， CPU就 不 能 立即 输 出 下 一 个 数 据 。 外 设 取 走 一 个 数 据 ， 就 会发 出 一 个 状 态 信 息 。 2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 29 6.3 CPU与 外 设 通 信 的 接 口 6.3.2 异 步 查 询 方 式 与 接 口 2.异 步 查 询 输 出 方 式 与 接 口 2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 30 6.3 CPU与 外 设 通 信 的 接 口 6.3.2 异 步 查 询 方 式 与 接 口 2.异 步 查 询 输 出 方 式 与 接 口 SPORT EQU 300H ； 状 态 端 口 DPORT EQU 310H ； 数 据 端 口 TEST2: MOV DX, SPORT IN AL, DX ； 读 取 状 态 信 息 TEST AL, 01 ； 检 查 D0位 JNZ TEST2 ； 为 1， 表 示 数 据 未 被 取 走 MOV DX, DPORT ； 为 0， 表 示 数 据 已 被 取 走 MOV AL, BX ； 从 数 据 区 调 来 待 输 出 的 数 据 OUT DX, AL ； 输 出 数 据 2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 31 6.4 8086CPU的 输 入 输 出 6.4.1 8086CPU的 I/O指 令 1.直 接 寻 址 I/O指 令 （ 8位 端 口 地 址 ） ： IN AL, n （ 字 节 输 入 ）IN AX, n （ 字 输 入 ）OUT n, AL （ 字 节 输 出 ）OUT n, AX （ 字 输 出 ） 2.DX寄 存 器 间 接 寻 址 I/O指 令 （ 16位 端 口 地 址 ） ： MOV DX, PORTIN AL, DX （ 字 节 输 入 ）IN AX, DX （ 字 输 入 ）OUT DX, AL （ 字 节 输 出 ） OUT DX, AX （ 字 输 出 ） 2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 32 6.3 CPU与 外 设 通 信 的 接 口I/O接口（续）一般接口方式（三总线）（图例）q DB直接连接接口芯片D7-D0q地址A15-A0低连高译（得到I/O接口芯片地址）q控制总线对应连接 2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 33 6.4.2 8086CPU的 I/O接 口 接口的基本功能对数据传送的控制，具体为：锁存，隔离，驱动，变换，连络，定时等作用。并行接口q速度快,成本高q适合近距离串行接口q速度慢,成本低q适合长距离注 意 CPU的 模 式 。 2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 34 接 口 芯 片 译 码 例 子门电路译码（译码固定）分析8259A 的CS要求低电平q或门输入必须为0；与非门输入必须为1；非门输入必须为0q满足结果的输入地址信号为：A9A800 A7A6A5001 1& CS 8259AA9A8A7 A6A5 “0”“0” “0”“0”“0”“1” “0”“0” 2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 35 接 口 芯 片 译 码 例 子译码器译码（74LS138)译码条件：接G2A#、G2B#的A9A8必须00译码结果：接CBA的A7A6A5q 000对Y0低 8259 CS （00000 xxxxxB）q 001对Y1低 8253 CS （00001xxxxxB）q 010对Y2低 8255 CS （00010 xxxxxB）q 111对Y7低 8251 CS （00111xxxxxB）A5 A6A7A8A9AEN A Y0B Y1C Y2 Y3 Y4G2A# Y5G2A# Y6G1 Y7 CS 8259CS 8253CS 8255CS 825174LS138 2021年 5月 26日 星 期 三 机 械 系 统 计 算 机 控 制 课 件 36 外设74273& .D0 D7 D0IORA0A7A8A15IOW O. 74244CPD0D7 O0O7 BUSYO 8位 缓 冲 /总 线 驱 动 器8位 D锁 存 器CP负 脉 冲 输 出上 升 沿 锁 存 状 态数 据 MOV DX， 00FFHA1： IN AL ， DX AND AL ， 01HJZ A1 MOV AL ， BLOUT DX ， ALCPU向 外 设 输 出 数 据 ， 先 查 状 态 BUSY （ BUSY = 0 外 设 忙 ， 不 能 输 出 数 据 ） 只 有 BUSY = 1时 ， 才 能 由 数 据 口 输 出 数 据