第6章微型计算机的输入输出

第第6章章 微型计算机的基本微型计算机的基本输入输出输入输出机械系统计算机控制机械系统计算机控制2008 机电学院机电学院5/5/20241机械系统计算机控制课件6.1 CPU6.1 CPU与外设通信的特点与外设通信的特点 需要接口作为需要接口作为CPUCPU与外设通信的桥梁；与外设通信的桥梁；需要有数据传送前的需要有数据传送前的“联络联络”；需要传递的信息有：状态、数据及控制信需要传递的信息有：状态、数据及控制信息。息。5/5/20242机械系统计算机控制课件6.1 CPU6.1 CPU与外设通信的特点与外设通信的特点I/OI/O接口接口接口的定义接口的定义:是完成数据、地址和控制三总线转换和连是完成数据、地址和控制三总线转换和连接的一组电路接的一组电路CPU数据总线数据总线DB地址总线地址总线AB控制总线控制总线CB存储器存储器RAMROMI/O芯片芯片8259825382558251I/O设备设备显示器显示器打印机打印机键盘键盘鼠标鼠标5/5/20243机械系统计算机控制课件CPUI/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 CPU6.3 CPU与外设通信的接口与外设通信的接口接口电路基本结构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。5/5/20244机械系统计算机控制课件6.1 CPU6.1 CPU与外设通信的特点与外设通信的特点 6.1.16.1.1接口的用途接口的用途1.1.进行地址译码或设备选择；进行地址译码或设备选择；2.2.状态信息应答，以协调数据传送之前的准备工作；状态信息应答，以协调数据传送之前的准备工作；3.3.进行中断管理，提供中断信号；进行中断管理，提供中断信号；4.4.进行数据格式转换；进行数据格式转换；5.5.进行电平转换；进行电平转换；6.6.协调速度；协调速度；7.7.时序控制。时序控制。8.8.对数据传送的控制，具体为：锁存，隔离，驱动，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。变换，连络，定时等作用。5/5/20245机械系统计算机控制课件6.1 CPU6.1 CPU与外设通信的特点与外设通信的特点 6.1.2 I/O6.1.2 I/O端口的寻址方式端口的寻址方式1.1.存储器映像寻址（统一编址）存储器映像寻址（统一编址）2.I/O2.I/O映像编址（独立编址）映像编址（独立编址）此时，由于系统所需的此时，由于系统所需的I/OI/O远少于存储单元，一般只远少于存储单元，一般只设置设置25625610241024，因此只需要，因此只需要8 81010根地址线即可根地址线即可。CPUCPU与外部设备通信，需要区分系统中的不同外设，就必须为每与外部设备通信，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。的形成，类似存储器地址的形成。5/5/20246机械系统计算机控制课件6.1 CPU6.1 CPU与外设通信的特点与外设通信的特点 6.1.3 I/O6.1.3 I/O端口地址形成端口地址形成I/OI/O映像编址（独立编址空间）的优缺点：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，程序址译码较简单，寻址速度快；使用专用指令，程序可读性增强。可读性增强。缺点：专用指令少；寻址方式单一，只能在缺点：专用指令少；寻址方式单一，只能在AXAX与与I/OI/O之间交换信息，使程序设计灵活性差；要求处理器之间交换信息，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，也造成了专门的引脚，增加了控制逻辑的复杂性，也造成了CPUCPU引脚数的增加。引脚数的增加。5/5/20247机械系统计算机控制课件6.1 CPU6.1 CPU与外设通信的特点与外设通信的特点 6.1.3 I/O6.1.3 I/O端口地址形成端口地址形成1.1.存储器映像寻址存储器映像寻址（统一编址）（统一编址）2.I/O2.I/O映像编址映像编址（独立编址空间）（独立编址空间）5/5/20248机械系统计算机控制课件6.2 6.2 输入输出方式输入输出方式 6.2.16.2.1程序控制传输方式程序控制传输方式包括：程序控制方式包括：程序控制方式和和DMADMA方式。方式。包括：同步传输方式、异步查询方式和中断方式。包括：同步传输方式、异步查询方式和中断方式。1.1.同步传输方式（无条件传输方式）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简单外设作为输入设备时，输入数据时间相对于CPUCPU的处理时的处理时间长很多，可直接使用三态（间长很多，可直接使用三态（1 1、0 0、高阻态）缓冲器和数据总、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。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当简单外设作为输出设备时，一般需要锁存器，使，一般需要锁存器，使CPUCPU输出的输出的数据能够保持一段时间直到数据被取走。显然也要求数据能够保持一段时间直到数据被取走。显然也要求CPUCPU在输在输出数据时要确认输出锁存器是空的。出数据时要确认输出锁存器是空的。5/5/20249机械系统计算机控制课件6.2 6.2 输入输出方式输入输出方式 6.2.16.2.1程序控制传输方式程序控制传输方式2.2.异步查询方式（条件传输方式）异步查询方式（条件传输方式）也称为程序查询方式。也称为程序查询方式。CPUCPU通过程序不断地读取并测试外设的状态，如果外设处于准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），则备好状态（输入设备）或空闲状态（输出设备），则CPUCPU执行执行输入或输出指令，否则输入或输出指令，否则CPUCPU处于循环查询状态。为此，处于循环查询状态。为此，接口电接口电路除了有数据端口外，还要有状态端口。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。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。为了防止死循环，应该在查询流程中设置一个等待超时值。5/5/202410机械系统计算机控制课件6.2 6.2 输入输出方式输入输出方式 当系统中有多个外设时，当系统中有多个外设时，CPUCPU要对所有外设进行巡回查要对所有外设进行巡回查询。查询方法：询。查询方法：（1 1）每个设备对应一个状态端口；）每个设备对应一个状态端口；（2 2）一个状态端口中顺序存放所有的设备状态信息；）一个状态端口中顺序存放所有的设备状态信息；（3 3）在上述端口前增设一个优先级编码器。）在上述端口前增设一个优先级编码器。5/5/202411机械系统计算机控制课件6.2 6.2 输入输出方式输入输出方式 6.2.16.2.1程序控制传输方式程序控制传输方式3.3.中断方式中断方式这种方式下这种方式下CPUCPU与外设处于并行工作状态，与外设处于并行工作状态，CPUCPU不必花不必花费大量的时间去查询外设的工作状态，大大地提高了费大量的时间去查询外设的工作状态，大大地提高了CPUCPU的利用率。但当大量地与外设交换数据时，有可能的利用率。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。降低系统的运行性能。5/5/202412机械系统计算机控制课件6.2 6.2 输入输出方式输入输出方式 6.2.26.2.2直接存储器存取方式（直接存储器存取方式（DMADMA）DMADMA是直接存储器存取（是直接存储器存取（Direct Memory AccessDirect Memory Access）的简）的简称。可以满足高速称。可以满足高速I/OI/O设备与设备与RAMRAM进行批量传送数据的需进行批量传送数据的需要。要。其特点是通过一个专用的其特点是通过一个专用的DMADMA控制器，直接控制控制器，直接控制I/OI/O设备设备与与RAMRAM的数据传输，而无需的数据传输，而无需CPUCPU介入。即用硬件替代软件介入。即用硬件替代软件实现数据传输。实现数据传输。在实现在实现DMADMA传输时，是由传输时，是由DMADMA控制器直接掌管总线，因此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存在一个总线控制权转移的问题。5/5/202413机械系统计算机控制课件6.3 CPU6.3 CPU与外设通信的接口与外设通信的接口 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。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状态信息和控制信息也是通过数据总线传递的，由于，由于它们的性质不同于数据信息，故在传送时赋予不同的它们的性质不同于数据信息，故在传送时赋予不同的端口。端口。因此一个外设往往占有几个端口，如因此一个外设往往占有几个端口，如数据端口、状态数据端口、状态端口、控制端口端口、控制端口等。这样一来，等。这样一来，CPUCPU对外设的控制或对外设的控制或CPUCPU与外设间的信息交换，实际上就转换成与外设间的信息交换，实际上就转换成CPUCPU通过通过I/OI/O指令读写断口的数据而已。指令读写断口的数据而已。5/5/202414机械系统计算机控制课件6.3 CPU6.3 CPU与外设通信的接口与外设通信的接口 6.3.1 6.3.1 同步传输方式与接口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制完全处于CPUCPU控制之下的场合。控制之下的场合。这类设备必须在这类设备必须在CPUCPU限定的时间内准备就绪限定的时间内准备就绪，并且完成数据的发送和接收。，并且完成数据的发送和接收。实际上在无条件传输方式下，外设总是处于实际上在无条件传输方式下，外设总是处于“等待等待”状态，只要简单地将状态，只要简单地将I/OI/O指令放在程序中需要的位置指令放在程序中需要的位置既可。既可。5/5/202415机械系统计算机控制课件6.3 CPU6.3 CPU与外设通信的接口与外设通信的接口 6.3.1 6.3.1 同步传输方式与接口同步传输方式与接口 1.1.同步输入方式同步输入方式 1 1）同步输入过程）同步输入过程提供端口地址，以便提供端口地址，以便CPUCPU从指定的外设中取入数据；从指定的外设中取入数据；执行执行ININ指令或存储器读指令；指令或存储器读指令；地址译码器输出，同时产生地址译码器输出，同时产生M/IO#M/IO#和和RD#RD#控制信号；控制信号；数据从端口中输入至数据从端口中输入至CPUCPU寄存器。寄存器。5/5/202416机械系统计算机控制课件6.3 CPU6.3 CPU与外设通信的接口与外设通信的接口 6.3.1 6.3.1 同步传输方式与接口同步传输方式与接口 1.1.同步输入方式同步输入方式 2 2）同步输入硬件接口电路）同步输入硬件接口电路为了防止为了防止CPUCPU在取外设数据在取外设数据时，数据发生变化，往往时，数据发生变化，往往采用缓冲器或锁存器把外采用缓冲器或锁存器把外设数据保护起来。设数据保护起来。5/5/202417机械系统计算机控制课件6.3 CPU6.3 CPU与外设通信的接口与外设通信的接口 6.3.1 6.3.1 同步传输方式与接口同步传输方式与接口 1.1.同步输入方式同步输入方式 3 3）缓冲器）缓冲器74LS24474LS244 74LS24474LS244是一种具是一种具有三态输出的有三态输出的8 8位位缓冲器。缓冲器。5/5/202418机械系统计算机控制课件6.3 CPU6.3 CPU与外设通信的接口与外设通信的接口 5/5/202419机械系统计算机控制课件6.3 CPU6.3 CPU与外设通信的接口与外设通信的接口 6.3.1 6.3.1 同步传输方式与接口同步传输方式与接口 2.2.同步输出方式同步输出方式 1 1）同步输出过程）同步输出过程提供端口地址，以便提供端口地址，以便CPUCPU将数据送到指定的外设；将数据送到指定的外设；执行执行OUTOUT指令或存储器写指令；指令或存储器写指令；地址译码器输出，同时产生地址译码器输出，同时产生M/IO#M/IO#和和WR#WR#控制信号；控制信号；CPUCPU将数据输出到端口。将数据输出到端口。5/5/202420机械系统计算机控制课件6.3 CPU6.3 CPU与外设通信的接口与外设通信的接口 6.3.1 6.3.1 同步传输方式与接口同步传输方式与接口 .同步输出方式同步输出方式 2 2）同步输出硬件接口电路）同步输出硬件接口电路为了为了CPUCPU数据准确传输到目数据准确传输到目的外设，除了提供正确的的外设，除了提供正确的端口地址外，还需将数据端口地址外，还需将数据锁存或功放后，再提供给锁存或功放后，再提供给外设。外设。5/5/202421机械系统计算机控制课件6.3 CPU6.3 CPU与外设通信的接口与外设通信的接口 6.3.1 6.3.1 同步传输方式与接口同步传输方式与接口 .同步输出方式同步输出方式 3 3）8 8位位D D锁存器锁存器74LS27374LS273 74LS27374LS273是是8 8位位D D锁存器。只有锁存器。只有当当CP#CP#端为低电平时，端为低电平时，D0 D0D7D7输入端上的信号才会被锁输入端上的信号才会被锁存，并在存，并在Q0Q0Q7Q7上输出；当上输出；当CP#CP#端为高电平时，原被锁存端为高电平时，原被锁存的信号不会因为的信号不会因为D0D0D7D7上信上信号的变化而变化。号的变化而变化。5/5/202422机械系统计算机控制课件6.3 CPU6.3 CPU与外设通信的接口与外设通信的接口 5/5/202423机械系统计算机控制课件6.3 CPU6.3 CPU与外设通信的接口与外设通信的接口 6.3.2 6.3.2 异步查询方式与接口异步查询方式与接口 在大多数情况下，外设不会处于在大多数情况下，外设不会处于CPUCPU的控制之下，常的控制之下，常常是常是CPUCPU和外设的工作不同步。和外设的工作不同步。简单的方法是采取异步查询方式，简单的方法是采取异步查询方式，CPUCPU和外设之间通和外设之间通过过“握手握手”信号进行交流，以确保数据传输的准确性。信号进行交流，以确保数据传输的准确性。CPUCPU检测外设的状态端口，当状态满足条件时，检测外设的状态端口，当状态满足条件时，CPUCPU与与外设交换数据；否则，外设交换数据；否则，CPUCPU不断地检测外设的状态端口。不断地检测外设的状态端口。5/5/202424机械系统计算机控制课件6.3 CPU6.3 CPU与外设通信的接口与外设通信的接口 6.3.2 6.3.2 异步查询方式与接口异步查询方式与接口 1.1.异步查询输入方式与接口异步查询输入方式与接口 当当CPUCPU从慢速的设备取从慢速的设备取数据时，需要查询设备数据时，需要查询设备是否已经准备好。是否已经准备好。5/5/202425机械系统计算机控制课件6.3 CPU6.3 CPU与外设通信的接口与外设通信的接口 6.3.2 6.3.2 异步查询方式与接口异步查询方式与接口 1.1.异步查询输入方式与接口异步查询输入方式与接口 5/5/202426机械系统计算机控制课件6.3 CPU6.3 CPU与外设通信的接口与外设通信的接口 6.3.2 6.3.2 异步查询方式与接口异步查询方式与接口 1.1.异步查询输入方式与接口异步查询输入方式与接口 SPORT EQU 300H SPORT EQU 300H ；状态端口；状态端口 DPORT EQU 310H DPORT EQU 310H ；数据端口；数据端口 TEST1:MOV DX,SPORTTEST1:MOV DX,SPORT IN AL,DX IN AL,DX ；读取状态信息；读取状态信息 TEST AL,01 TEST AL,01 ；检查；检查D0D0位位 JZ TEST1 JZ TEST1 ；为；为0 0，表示无数据输入，表示无数据输入 MOV DX,DPORT MOV DX,DPORT ；为；为1 1，读入数据，读入数据 IN AL,DX IN AL,DX 5/5/202427机械系统计算机控制课件6.3 CPU6.3 CPU与外设通信的接口与外设通信的接口 6.3.2 6.3.2 异步查询方式与接口异步查询方式与接口 2.2.异步查询输出方式与接口异步查询输出方式与接口 当当CPUCPU向慢速的设备发送数向慢速的设备发送数据时，需要查询设备是否据时，需要查询设备是否已经准备好。已经准备好。若外设没有取走前一若外设没有取走前一个数据，个数据，CPUCPU就不能立就不能立即输出下一个数据。即输出下一个数据。外设取走一个数据，就会外设取走一个数据，就会发出一个状态信息。发出一个状态信息。5/5/202428机械系统计算机控制课件6.3 CPU6.3 CPU与外设通信的接口与外设通信的接口 6.3.2 6.3.2 异步查询方式与接口异步查询方式与接口 2.2.异步查询输出方式与接口异步查询输出方式与接口 5/5/202429机械系统计算机控制课件6.3 CPU6.3 CPU与外设通信的接口与外设通信的接口 6.3.2 6.3.2 异步查询方式与接口异步查询方式与接口 2.2.异步查询输出方式与接口异步查询输出方式与接口 SPORT EQU 300H SPORT EQU 300H ；状态端口；状态端口 DPORT EQU 310H DPORT EQU 310H ；数据端口；数据端口 TEST2:MOV DX,SPORTTEST2:MOV DX,SPORT IN AL,DX IN AL,DX ；读取状态信息；读取状态信息 TEST AL,01 TEST AL,01 ；检查；检查D0D0位位 JNZ TEST2 JNZ TEST2 ；为；为1 1，表示数据未被取走，表示数据未被取走 MOV DX,DPORT MOV DX,DPORT ；为；为0 0，表示数据已被取走，表示数据已被取走 MOV AL,BX MOV AL,BX ；从数据区调来待输出的数据；从数据区调来待输出的数据 OUT DX,AL OUT DX,AL ；输出数据；输出数据 5/5/202430机械系统计算机控制课件6.4 8086CPU6.4 8086CPU的输入输出的输入输出 6.4.1 8086CPU6.4.1 8086CPU的的I/OI/O指令指令 1.1.直接寻址直接寻址I/OI/O指令（指令（8 8位端口地址）：位端口地址）：IN AL,n IN AL,n （字节输入）（字节输入）IN AX,n IN AX,n （字输入）（字输入）OUT n,AL OUT n,AL （字节输出）（字节输出）OUT n,AX OUT n,AX （字输出）（字输出）2.DX2.DX寄存器间接寻址寄存器间接寻址I/OI/O指令（指令（1616位端口地址）：位端口地址）：MOV DX,PORTMOV DX,PORTIN AL,DX IN AL,DX （字节输入）（字节输入）IN AX,DX IN AX,DX （字输入）（字输入）OUT DX,AL OUT DX,AL （字节输出）（字节输出）OUT DX,AX OUT DX,AX （字输出）（字输出）5/5/202431机械系统计算机控制课件6.3 CPU6.3 CPU与外设通信的接口与外设通信的接口oI/O接口（续）接口（续）一般接口方式（三总线）（图例）一般接口方式（三总线）（图例）qDB直接连接接口芯片直接连接接口芯片D7-D0q地址地址A15-A0低连高译（得到低连高译（得到I/O接口芯片地址）接口芯片地址）q控制总线对应连接控制总线对应连接5/5/202432机械系统计算机控制课件6.4.2 8086CPU6.4.2 8086CPU的的I/OI/O接口接口 接口的基本功能接口的基本功能对数据传送的控制，具体为：锁存，隔离，驱动，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。变换，连络，定时等作用。并行接口并行接口q速度快速度快,成本高成本高q适合近距离适合近距离串行接口串行接口q速度慢速度慢,成本低成本低q适合长距离适合长距离注意注意CPUCPU的模式的模式。5/5/202433机械系统计算机控制课件接口芯片译码例子接口芯片译码例子门电路译码（门电路译码（译码固定）译码固定）分析分析8259A 的的CS要求低电平要求低电平q或门输入必须为或门输入必须为0；与非门输入必须为；与非门输入必须为1；非门输入必须为；非门输入必须为0q满足结果的输入地址信号为：满足结果的输入地址信号为：A9A800 A7A6A5001 1 1&CS 8259AA9A8A7A6A5“0”“0”“0”“0”“0”“1”“0”“0”5/5/202434机械系统计算机控制课件接口芯片译码例子接口芯片译码例子译码器译码（译码器译码（74LS138)译码条件：接译码条件：接G2A#、G2B#的的A9A8必须必须00译码结果：接译码结果：接CBA的的A7A6A5q000对对Y0低低 8259 CS （00000 xxxxxB）q001对对Y1低低 8253 CS （00001xxxxxB）q010对对Y2低低 8255 CS （00010 xxxxxB）q111对对Y7低低 8251 CS （00111xxxxxB）A5A6A7A8A9AENA Y0B Y1C Y2 Y3 Y4G2A#Y5G2A#Y6G1 Y7CS 8259CS 8253CS 8255CS 825174LS1385/5/202435机械系统计算机控制课件外外设设74273&.D0 D7D0IORA0A7A8A15IOWO.74244CPD0D7O0O7BUSYO8位缓冲位缓冲/总线驱动器总线驱动器8位位D锁存器锁存器CP负脉冲输出负脉冲输出上升沿锁存上升沿锁存状态状态数据数据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）只有外设忙，不能输出数据）只有 BUSY=1时，才能由数据口输出数据时，才能由数据口输出数据 5/5/202436机械系统计算机控制课件