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第七章：输入/输出接口内容摘要：★输入和输出设备是计算机系统的组成部分★程序、数据和各种信息，需要通过输入设备送入计算机★计算结果或控制信号要通过输出设备得以实现★CPU与外设交换信息是计算机系统中重要和频繁的操作本章主要介绍：★接口的概念★CPU与外围设备交换信息的方式7．1接口概述★计算机系统由主机和外部设备两大部分组成★外设不能直接和计算机系统的三总线相连接。其原因如下：1．外设的多样性，形式复杂：电子式、电磁式、光电式等；2．外设与CPU之间交换的信息的多样性：信息类型：数据信息、控制信息、状态信息信息模式：模拟信息、数字信息传递形式：串行传递、并行传递3．从外设管理和提高CPU的效率方面★须在外设和CPU三总线之间增设一个能控制外设与CPU进行信息交换的中转电路，用来协调CPU和外设的信息交换及工作秩序。★这个中转电路就是接口电路★对于不同的外部设备，其接口电路也是不同的。（见下图）不同外设与计算机主机之间的接口输入接口输出接口外存接口内存接口内存CPU通信接口智能仪器接口过程控制接口控制线地址线数据线7．1．1I/O接口的主要功能及结构1．接口电路是外设和CPU进行连接的桥梁和交换信息的中转站2．通过接口电路交换的信息：☆状态信息：外设状态经接口电路传递给CPU，使CPU了解外设当前的状态，以便进行下一步的操作；☆控制信息：CPU的控制信息经接口电路传递给外部设备，控制外设进行有序的工作；☆数据信息：通过接口电路CPU与外设间交换有效的传递。3．接口的基本功能就是对数据传送控制：包括信号暂存、数据格式转换、传送路径的切换控制和状态信号的交换、通讯控制、设备动作、定时控制、中断管理及错误检测等功能。一、接口的概念：I/O连接示意图★接口在CPU与外设之间建立一个缓冲区★解决了CPU与外设之间在：数据形式、数据传递方式及传递速率上存在很大差异的矛盾。CPU或系统总线外设I/O接口电路二、I/O接口电路的组成：1．与外设相连接，用以传递信息，具有暂存信息的寄存器部件。★暂存信息的部件被称为——端口★端口根据存放信息类型的不同，分以下三种：1）数据端口：一般为双向2）控制端口：单向输出3）状态端口：单向输入★每个端口具有自己的地址。因此，接口电路具有多个端口地址2．与计算机总线相连接：★数据总线缓冲器：接数据总线，用传递数据信息，为双向三态★逻辑控制电路：接控制总线，控制端口的读、写状态★地址译码电路：接地址总线，接受地址信息，寻找被访问的端口接口是接在计算机总线和外设之间的一个电路DB控制信号数据信号状态信号外围设备A0~AnCB控制端口接口状态端口数据端口控制逻辑内部地址译码器数据总线缓冲器地址译码器7.1.2I/O端口的编址方式★接口电路中的端口是用来暂存与CPU交换的信息，由接口电路中的内部寄存器构成；★CPU可以象访问存储器一样直接对端口进行读写操作。因此，必须对接口电路中的这些端口一一分配地址。★对端口分配地址的方式称为：端口地址编址方式★编址方式有两种：1．统一编址——和存储器的存储单元一起进行编址2．单独编址——给端口单独分配地址空间7.1.2I/O端口的编址方式一、I/O端口统一编址★I/O端口和存储单元按照存储单元的编址方法统一编排地址号，由I/O端口地址和存储单元地址共同构成一个统一的地址空间。◆优点：访问端口同访问存储器一样，不需专用的指令◆缺点：占用了存储器的地址空间，使存储器的地址空间减少★I/O地址空间和内存地址空间是相对独立的，有两个地址空间，即MEM和I/O地址空间，由专用控制线来确定要访问的对象。◆优点：不占用存储器的地址空间◆缺点：访问端口必须使用专用的指令（如IN/OUT）◆8086CPU系统采用了单独编址方式，并通过M/IO控制信号来区分地址线上的地址是用于访问存储器或是访问端口的。二、I/O端口独立编址7.1.2I/O端口的编址方式三、端口地址的寻址方式1．直接端口寻址方式：☆输入输出端口地址在指令中以立即数n（8bit）表明。☆直接寻址可寻址256个输入端口和256个输出端口。2．间接端口寻址方式☆输入输出端口地址由DX寄存器（16bit）间接寻址。☆间接寻址可寻址65536个输入输出端口。★虽然PC机有高达20位的地址总线，但对I/O端口地址来讲仅使用A0~A15位地址线，因此I/O接口地址最大寻址范围为64K。7.1.3I/O端口地址的译码一、固定式译码二、开关式可选地址译码三、PC/XT端口地址分配请自学7．2数据传送方式★CPU与接口之间的信息传递，实际上是与外设之间的信息传递。★因外设接收和发送信息的速度差别很大，应针对不同的外设采用不同的控制方式进行信息的传递。★常用传递信息的方式有四种：无条件传送方式中断控制方式查询传送方式DMA控制方式7.3.1无条件传送方式★外设的接口电路，应随时做好接收或输出数据的准备；以保证信息的可靠传输，下列设备可采用此控制方式进行信息的传送：1．输入设备：信息变化缓慢的外设；2．输出设备：能对输出的信息立即做出反应的外设；3．信息变化呈周期性、且定时的周期为已知的外设。CPU可以没有任何条件随时访问外部设备与其交换信息端口地址译码器往输出设备输出锁存器输入缓冲器来自输入设备7.2.2查询传送方式★当CPU需要同外设交换信息时，首先对外设的状态进行查询，得知外设已做好数据接收或发送的准备时，才进行信息交换。一．查询输入传送方式读状态信息输入数据READY？NY三态缓存器数据锁存器状态信号输入设备地址译码02H数据控制STB01H＋＋M/IORDLL：INAL，02HTESTAL，01HJZLLINAL，01HCPDQRDRD：置零1二．查询输出传送方式读状态信息输出数据BUST？YNNN：INAL，04HANDAL，80HJNZNNMOVAL，DATAOUT03H，AL输出设备控制数据M/IORDWR状态信号ACKY=03H数据锁存器＋＋D7～D0DCPRDQ0Y=04H7.2.3中断传送方式★在查询方式下，CPU主动查询外设的状态，占用了CPU大量的时间资源，降低了CPU的工作效率。★在中断方式下，由外设主动向CPU提出中断请求，CPU响应外设的中断请求后，才和外设进行一次信息交换；交换结束后返回继续进行其它的操作。外设请求中断外设准备数据主程序主程序中断服务程序IRET中断控制方式进行数据输入时的基本电路中断请求输入锁存器数据输入设备中断请求端口译码中断屏蔽触发器三态缓冲器中断响应地址总线RD＋7.3.4直接存储器方式一、DMA传送方式简介★DMA传送方式是在存储器和外设之间、存储器和存储器之间直接进行数据传送★传送过程无需CPU介入，因此传送时不必进行保护现场等一系列额外操作，传输速度基本取决于存储器和外设的速度。CPU外设存储器总线DMA程序控制的数据输入/输出7.3.4直接存储器方式二、DMA控制器的工作方式RAM外围设备DMA控制器CPU地址和控制总线③②⑥⑤④⑦①请求DMA传送回答数据总线请求请看下一节并行接口技术