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黄河科技学院计算机科学与技术教研室第7章输入/输出接口技术本章主要知识点：1、输入/输出接口作用；2、I/O接口的基本结构；3、I/O端口的编址4、输入/输出指令及其寻址方式5、CPU与外设之间数据传送方式本章学习的重点：1、I/O端口的编址2、CPU与外设之间数据传送方式黄河科技学院计算机科学与技术教研室7.1输入/输出接口技术概述问题的提出:输入/输出接口在计算机系统中起什么作用?微处理器8086/8088存储器RAM存储器ROMI/O接口外围设备地址总线AB控制总线CB数据总线DB图7.1微型计算机的基本组成原理结构图黄河科技学院计算机科学与技术教研室输入/输出接口：计算器可以完成各种算术和逻辑运算这些运算的原始数据从何而来？结果到何处？需要一个“桥”，这个“桥”的作用就是把操作者让计算机完成的运算的数据和运算方式与命令传递给微处理器，等微处理器完成了给定的运算后按操作者给定的要求再把结果传递给操作者。计算机通过这个“桥”----输入/输出接口与外部实现信息或数据的交换。把介于主机和外设之间的电路称为I/O接口电路，简称I/O接口。黄河科技学院计算机科学与技术教研室7.1.1I/O接口的结构与功能主机与外界的信息交换是通过输入/输出设备进行的。比如常规的外设有键盘、显示器、打印机、扫描仪、磁盘机、鼠标等。不同外设的信号形式、数据格式、运行速度也各不相同。因此，外部设备不能与CPU直接相连，需要通过相应的电路来完成它们之间的速度匹配、信号转换，并完成某些控制功能。I/O接口与处理器和外部设备的连接如图7.2所示。黄河科技学院计算机科学与技术教研室图7.2主机与外设的连接数据端口状态端口控制端口CPU外设DBABCBI/O接口数据信息状态信息控制信息黄河科技学院计算机科学与技术教研室1、I/O接口的基本结构I/O接口的基本结构如图7.3所示。每个接口电路中都包含一组寄存器，CPU与外设进行信息交换时，各类信息在接口中存入不同的寄存器，一般称这些寄存器为I/O端口，简称为口(Port)。用来保存CPU和外设之间传送数据的数据寄存器称为数据端口；用来存放外设或者接口部件本身状态的状态寄存器称为状态端口；用来存放CPU发往外设的控制命令的控制寄存器称为控制端口。黄河科技学院计算机科学与技术教研室CBABDBCPU数据端口状态端口I/O设备译码控制端口图7.3一个典型的I/O接口黄河科技学院计算机科学与技术教研室不同的接口电路，其内部结构是不相同的。接口电路的功能越强，内部寄存器的种类和数量也就越多，电路结构就越复杂，使用接口时要发送的控制命令就越多，程序也就越复杂。黄河科技学院计算机科学与技术教研室2、输入/输出接口的功能（1）数据的寄存和缓冲：缓解外设和CPU处理速度上的差异。（2）信号电平的转换（3）信息格式转换（4）设备选择（5）对外设的控制与检测（6）产生中断请求及DMA请求（7）可编程功能黄河科技学院计算机科学与技术教研室当然，并不是所有的接口都具备上述全部功能。但是，设备选择、数据寄存和缓冲以及输入输出操作的同步能力是各种接口都应具备的基本能力。黄河科技学院计算机科学与技术教研室7.1.2CPU与外设交换的信息类型主机与I/O设备之间交换的信息可分为数据信息、状态信息和控制信息三类。1．数据信息（外设处理的）数据信息又分为数字量、模拟量和开关量三种形式。1)数字量数字量是计算机可以直接发送、接收和处理的数据。例如，由键盘、显示器、打印机及磁盘等I/O外设与CPU交换的信息，它们是以二进制形式表示的数或以ASCII码表示的数符。黄河科技学院计算机科学与技术教研室2)模拟量当计算机应用于控制系统中时，输入的信息一般为来自现场的连续变化的物理量，如温度、压力、流量、位移、湿度等，这些物理量通过传感器并经放大处理得到模拟电压或电流，这些模拟量必须先经过模拟量向数字量的转换(A/D转换)后才能输入计算机。反过来，计算机输出的控制信号都是数字量，也必须先经过数字量向模拟量的转换(D/A转换)，把数字量转换成模拟量才能去控制现场。黄河科技学院计算机科学与技术教研室3)开关量开关量可表示两个状态，如开关的断开和闭合，机器的运转与停止，阀门的打开与关闭等。这些开关量通常要经过相应的电平转换才能与计算机连接。开关量只用一位二进制数即可表示。黄河科技学院计算机科学与技术教研室2.状态信息状态信息作为CPU与外设之间交换数据时的联络信息，反映了当前外设所处的工作状态，是外设通过接口送往CPU的。CPU通过对外设状态信号的读取，可得知输入设备的数据是否准备好、输出设备是否空闲等情况。因此，状态信息能够保障CPU与外设正确地进行数据交换。黄河科技学院计算机科学与技术教研室3．控制信息控制信息由CPU通过接口传送给外设，控制信息设置外设(包括接口)的工作模式、控制外设的工作。如外设的启动信号和停止信号就是常见的控制信息。控制信息随外设的具体工作原理不同而含义不同。黄河科技学院计算机科学与技术教研室数据信息、状态信息和控制信息含义各不相同，但在微型计算机系统中，CPU通过接口和外设交换信息时，只能用输入指令和输出指令传送数据，所以状态信息、控制信息也是被作为数据信息来传送的，把状态信息作为一种输入数据，而把控制信息作为一种输出数据。黄河科技学院计算机科学与技术教研室7.1.3I/O端口的编址方式(重点内容)I/O端口编址方式有两种：I/O端口与内存单元统一编址和I/O端口与内存单元独立编址。1、I/O端口与内存单元统一编址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，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。黄河科技学院计算机科学与技术教研室图7.4I/O端口与内存单元统一编址整个地址空间存储器I/O¶Ë¿Ú00000HXXXXXHFFFFFH(XXXXX+1)HI/O端口例如，对于一个有20根地址线的微机系统，若采用统一编址方式，其地址空间的结构如图7.4所示。黄河科技学院计算机科学与技术教研室采用统一编址方式下，CPU对I/O端口的输入/输出操作如同对存储单元的读/写操作一样，所有访问内存的指令同样都可用于访问I/O端口，因此无需专门的I/O指令，从而简化了指令系统的设计；同时，对存储器的各种寻址方式也同样适用于对I/O端口的访问，给使用者提供了很大的方便。但由于I/O端口占用了一部分存储器地址空间，因而相对减少了内存的地址可用范围。黄河科技学院计算机科学与技术教研室2、I/O端口与内存单元独立编址(重点内容)在这种编址方式中，建立了两个地址空间，一个为内存地址空间，一个为I/O地址空间。内存地址空间和I/O地址空间是相对独立的，通过控制线来确定CPU到底要访问内存还是I/O端口。这种编址要求CPU与I/O端口之间进行数据传输时，使用专用的输入指令/输出指令。黄河科技学院计算机科学与技术教研室图7.5I/O端口与内存单元独立编址00000HFFFFFH存储器I/OFFFFH0000H采用独立编址方式下，存储器地址与I/O可以重叠,由M/IO信号区别是访问的那个地址8086微机系统采用独立编址方式时，其20根地址线对内存寻址范围是00000H～FFFFFH；用地址总线的低16位对I/O端口寻址，所以I/O端口的地址范围是0000H～FFFFH，如图7.5所示。利用M/IO信号区分两个地址空间。黄河科技学院计算机科学与技术教研室7.1.4输入/输出指令及其寻址(重点内容)8086/8088采用的IN和OUT指令访问I/O接口。I/O指令如采用单字节作为端口地址，则最多可以有256个端口(端口地址号从00H～FFH)，可以采用直接寻址方式，指令格式如下：输入:INAL，Port;从Port端口输入8位数据到ALINAX，Port；从Port端口输入16位数据到AX输出:OUTPort，AL；从AL输出8位数据到Port端口OUTPort，AX；从AX输出16位数据到Port端口黄河科技学院计算机科学与技术教研室当端口地址大于255时必须采用间接寻址方式，即先把端口地址放在DX寄存器内。其指令格式如下：输入：MOVDX，XXXXH；16位地址INAL，DX；8位传送或INAX，DX；16位传送输出：MOVDX，XXXXHOUTDX，AL；8位传送或OUTDX，AX；16位传送这里XXXXH为两字节地址信息。黄河科技学院计算机科学与技术教研室7.2I/O数据传送方式7.2.1无条件传送无条件传送是一种最简单的输入/输出控制方法，用于控制CPU与简单外设之间进行信息的交换，例如，开关和发光二极管。这类外设在任何时刻均已准备好数据或处于接收数据状态，因此程序可以不必检查外设的状态，就可以进行输入/输出操作。无条件传送输入的典型接口是缓冲器无条件传送输出的典型接口是锁存器黄河科技学院计算机科学与技术教研室图7.6缓冲器74LS2441A21Y21A31Y31A41Y42A12Y12A22Y22A32Y32A42Y41A11Y12G1G黄河科技学院计算机科学与技术教研室74LS2442Y42A41G2G1Y21Y11A21A1D0D1D7M/IOCSRD+5V图7.7简单输入接口黄河科技学院计算机科学与技术教研室QDCQDCLK74L22731D1Q2D2Q8D8QCLKQDCQDCLK8输入端8输出端控制端图7.8锁存器74LS273黄河科技学院计算机科学与技术教研室74L22731D1Q2D2Q8D8QCLKD0D1D7M/IOCSWR图7.9简单输出端口黄河科技学院计算机科学与技术教研室7.2.2查询传送方式查询方式又称为条件传送方式。这种传送方式在接口电路中，除具有数据缓冲器或数据锁存器外，还应具有外设状态标志位，用来反映外部设备数据的情况。比如，在输入时，若数据已准备好，则将该标志位置位；输出时，若数据已空(数据已被取走)，则将标志位置位。在接口电路中，状态寄存器也占用端口地址号。黄河科技学院计算机科学与技术教研室输入装置锁存器三态缓冲器CQD+5VR缓冲器（1）译码器RDRD状态信息数据图7-10查询式输入接口电路黄河科技学院计算机科学与技术教研室查询式输入程序流程：输入状态信息准备好？输入数据YN程序：PORT1EQU状态口地址PORT2EQU数据口地址MOVDX,PORT1WEITING：INAL,DXTESTAL,80HJZWEITINGMOVDX,PORT2INAL,DX黄河科技学院计算机科学与技术教研室查询传送的优点是：能较好地协调外设与CPU之间的定时关系；缺点是：CPU需要不断查询标志位的状态，这将占用CPU较多的时间。为克服这一缺点，可以采用中断控制方式。黄河科技学院计算机科学与技术教研室7.2.3中断传送方式(重点内容)有条件和无条件传送都难以满足实时控制系统对I/O工作的要求。因为在查询方式中，CPU处于主动地位，外设接口处于消极被查询的被动地位。而在一般实时控制系统中，外设要求CPU为它服务是随机的，而且外设可有有几个甚至几十个，若采用查询方式工作，很难实现系统中每一个外设都工作在最佳工作状态。黄河科技学院计算机科学与技术教研室中断是指：如果外部某一个接口或设备有紧急的事务要求CPU暂时中止处理当前的事务，它就可以立刻向CPU发出中断请求，CPU而转去执行优先的中断服务程序，等处理完这个紧急事务后CPU再回到刚才被打断的位置继续顺序执行。黄河科技学院计算机科学与技术教研室微型计算机都具有中断控制的能力，CPU执行完每一条指令后，都会去查询外部是否有中断请求，若有，就暂停执行现行的程序，转去执行中断服务程序。在一个具有多个外设的系统中，在同一时刻就往往不止一个外设提出中断请求，这就引入了所谓中断优先权管理和中断嵌套等问题。黄河科技学院计算机科学与技术教研室7.2.4DMA传送方式(了解内容)采用上述三种方式，传送信息需CPU执行传输程序来完成，都需CPU暂停执行当前程序。如果传输的数据量大，需占用大量的CPU时间。黄河科技学院计算机科学与技术教研室为了解决这个矛盾，微机都有不经CPU的干预