输入输出

第五章输入与输出基本内容:◆输入输出的基本概念◆输入输出寻址:IN/OUT指令◆地址译码◆输入输出方式:无条件传送,查询方式,中断方式,DMA方式课时安排：4课时重点内容:1）输入输出指令2）I/O地址译码电路设计3）4种CPU与I/O端口数据传送方式的原理。5.1接口的基本概念5.1.1什么是I/O接口1）外部设备常见的外部设备有：键盘、鼠标、显示器、打印机等。2）I/O接口I/O接口（Interface）就是微处理器或微机与外部设备的连接部件，它是CPU与外界进行信息交换时，所必需的电路。3）简单的接口电路下图是2个基本的外部设备：D0D7D1LED0LED1LED7输出设备：控制LED灯。当Di＝1时，LEDi亮，否则LEDi灭。…+5VK0K7D0D7D1K1输入设备:读取开关的状态。当Ki闭合时，对应的Di＝0，否则Di＝1。（1）需要做如下工作：※将2个I/O设备和微机系统连接起来。※利用微机程序实现：当某个开关Ki闭合时，对应的发光二极管LEDi亮，开关断开时，对应的LED灭。要解决上述问题，必须将这2个设备通过相应的接口与CPU连接起来，这个接口就是I/O接口，本章节以后的主要内容就是如何设计I/O接口电路。（2）解决方法要解决前面的问题，必须学习一些基本的知识：※基本的接口电路芯片1510CCV1115201CS2CS1A12A13A14A13A22A21A24A21Y12Y13Y14Y11Y22Y23Y24Y2GND74LS244G1Q1D3D6D2D7DGND4D7Q2Q8Q4QCK5Q3Q6Q5D8DCCV74LS2738数据缓冲器8输出锁存器逻辑结构图：IOWGIORCS1CS25V8086地址译码地址总线数据总线…1A11A22A41Y1-2Y4D0-D71Q2Q8Q1D-8D74LS27374LS244※I/O接口地址通过总线和CPU连接的I/O接口有很多，必须给每个I/O接口定义适当的I/O地址。XT系统使用8086CPU地址总线的低10位，A0－A9，作为I/O地址总线,寻址的I/O地址为1024个，AT系统使用地址总线的低16位：A0－A15，可寻址的I/O地址为64K个。且8086系列微机的I/O地址采用独立编址的方法，为了区分I/O操作和存储器操作，在I/O操作时使用单独的I/O指令。同时，对应的I/O接口分配了I/O地址后，还要设计相应的地址译码电路。5.1.2I/O指令由于8086I/O和内存独立编址，故内存读写和I/O读写要采用不同的指令（这里要特别注意内存读/写的差异）。1）输入指令IN格式：IN累加器，PORTIN累加器，DX其中，累加器为AX（传送16位数）或AL（传送8位数），PORT为I/O端口地址，DX为I/O间接寻址（DX保存I/O地址）。如：INAL，21H；读中断口INAX，0FH；读DMA口直接利用I/O地址存取数据时，I/O地址值不能大于FFH，是因为I/O操作的机器指令代码中，紧跟操作码只设计了一个字节的操作数。当I/O地址大于FFH时，采用DX间接对I/O接口寻址。如：当要读取I/O地址为3F8H的端口时，只能用如下方式：MOVDX，3F8HINAL，DX2）输出指令OUT格式：OUTPORT，累加器OUTDX，累加器5.1.3I/O地址译码1、标准的门电路:缓冲器非门与门与非门或门或非门2、I/O地址译码每当CPU执行IN或OUT指令时，就进入了I/O端口读/写周期，CPU首先产生I/O端口地址，然后是读写控制信号，I/O端口的地址译码器负责对CPU发出的I/O地址译码，并利用产生的译码信号选择对应I/O端口。实际上I/O地址译码电路不仅与地址信号有关，而且还与控制信号有关，它把地址和控制信号进行组合，产生对芯片的选择信号。因此，I/O地址译码电路除了要受A0～A9这10根地址线(以XT系统为例)所限定的地址范围之外，还要考虑下面的一些控制信号，如：（1）利用IOR、IOW信号控制对端口的读写。（2）用AEN信号控制非DMA传送。AEN为系统总线信号，AEN=1表示DMA传送；AEN=0表示非DMA传送。（3）用IOCS16信号控制是8位还是16位的I/O端口。8086CPU对I/O地址的管理与地址译码由于I/O地址线只使用低10位，I/O接口单元的地址不象存储器地址那样需要分段，I/O地址也可以不连续，每个I/O端口的地址译码也是独立的。译码1I/O接口1I/O设备1译码2I/O接口2I/O设备2译码nI/O接口nI/O设备n片选信号CPUABDB3、常用的译码电路1）门组成的译码电路这是一种最简单最基本的端口地址译码方法，它一般多采用与门、与非门、反相器及或非门等，如74LS08（8非门）、74LS04（4非门）、74LS32（8或门）、74LS30（8与非门）、74LS20（4与非门）等。300H译码电路A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0CS300H当且仅当I/O地址＝300H时，输出为低电平，该低电平正好可以作为接口芯片的片选信号。当I/O地址为其它值时，输出为高电平（片选无效）。2）专用译码电路若接口电路中需要使用多个端口地址时，则采用译码器译码比较方便。译码器的型号很多，如3-8译码器74LS138，8205；4-16译码器74LS154；双2-4译码器74LS139和74LS155等。3-8译码器74LS138是最常用的译码电路之一，它可以从输入的3个代码（A、B、C）中译出8个输出（Y0～Y7）。它的3个输入控制端是G1、G2A、G2B，只有当G1=1，G2A＝0，G2B=0时，才允许对输人端A、B、C进行译码。74LS138的真值表如下表所示。74LS138ABCG2AG2BG1Y7GNDVccY0Y1Y2Y3Y4Y5Y674LS138真值表CBAY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y700001111111001101111110101101111101111101111100111101111011111101111011111101111111111105.1.5I/O接口程序设计如前面的例子，程序设计如下（见图假定接口的I/O地址为300H，且输入输出接口通过I/O读、写控制区分）：MOVDX,300HINAL,DXNOTALOUTDX,AL5.2CPU与I/O之间的信息分类5.2.1数据信息数据信息可以分为：数字量、模拟量和开关量。A/D数据寄存器计算机系统D/AA/D：模拟量变数字量D/A：数字量变模拟量5.2.2状态信息CPU状态寄存器……打印机…D7D3D2D1D0D0:缺纸状态1-缺纸0-有纸D1:联机状态1-脱机0-联机D2:忙状态1-忙0-空闲状态寄存器5.2.3控制数据通过I/O接口控制I/O设备的工作。如复位、打印机走纸等。5.3.1无条件传送CPU在没有查询外设的状态或者已知外设准备好的情况下，利用IN和OUT指令与外设的数据口交换数据----称无条件传送。如前面设计的I/O接口和I/O设备。5.3CPU与外设数据传送方式5.3.2查询传送方式在CPU与I/O进行数据传送时，由于客观原因，I/O端口往往没有做好与CPU交换数据的准备，在这种情况下，I/O接口设计一个状态寄存器，来描述I/O接口的实际状态。CPU在进行数据读写时，先查询I/O接口的状态，再进行数据传送。输入状态信息READY?输入数据NYes程序举例：Loop1:Inal,status-portTestal,00000001BJZLoop1Inal,Data-port1、查询传送的工作原理(状态寄存器中D0=1,准备好)2、基本电路设计CPUI/O设备数据锁存器QRD数据口译码状态口译码数据寄存器状态寄存器地址数据M/IORDCECED08位状态寄存器,D0位表示设备的状态,0—没准备,1—准备就绪.数据端口地址:300H状态端口地址:301H具体应用举例:(1)数据端口地址为300H,状态端口地址为301H.(2)在状态端口中,D0表示设备的状态,D0=0:没有就绪,D0=1:准备就绪.(3)在内存中,地址为0200H的地方存放了100个字节的数据需要通过数据口传送到I/O设备.5.3.3中断传送方式在上述的查询传送方式中，CPU要不断地询问外设，当外设没有准备好时，CPU要等待，不能进行别的操作，这样就浪费了CPU的时间。而且许多外设的速度是较低的，如键盘、打印机等等，它们输入或输出一个数据的速度是很慢的，在这个过程中，CPU可以执行大量的指令。为了提高CPU的效率，可采用中断的传送方式：在输入时，若外设的输入数据已存入寄存器；或输出时，外设已准备好接受数据，则由外设向CPU发出中断请求，CPU就暂停原执行的程序（即实现中断），转去执行输入或输出操作（中断服务），待输入输出操作完成后再返回，CPU继续执行原来的程序。这样就可以大大提高CPU的效率，而且允许CPU与外设（甚至多个外设）同时工作。1、中断处理过程（1）中断请求：I/O设备向CPU发出中断请求：INTR（高电平），如果IF=1，CPU在现行指令执行完后，开始响应中断，转响应中断程序（2），否则，不响应中断；（2）中断响应：CPU向I/O设备发送中断回应信号，I/O收到CPU发送的INTA信号后将I/O的中断类型号通过数据总线传送到CPU。CPU收到中断类型号后计算出中断服务程序的入口地址，CPU保护断点IP、CS的值，将中断服务程序的入口地址送CS、IP，转入中断服务程序（中断响应结束）；（3）执行中断：执行中断服务程序；（4）中断返回：中断服务程序执行完后，IRET指令返回（恢复断点IP、CS的值）。2、中断优先级问题（1）软件查询锁存器。。。INT0INT1INT7。。。INTRCPU外部设备在中断响应后，中断程序执行时查询锁存器，查看哪些设备发生了INT，并根据其优先级算法决定，先响应哪个设备。（2）简单的硬件电路：菊花链菊花电路外设0INTA0CPUINTAINT0菊花电路外设1INTA1INT1菊花电路外设2INTA2INT2INTRINTAINTAiINTi菊花电路最高最低12341432INTR（3）、专门的硬件电路5.3.4直接存储器存取（DMA）中断传送仍是由CPU通过执行中断服务程序来完成的，每次中断时，CPU要保护断点、保护现场，中断返回时，还要恢复断点、恢复现场，这需要开销CPU时间，这在一个高速I/O设备（如硬盘）与内存交换批量的数据时，CPU的工作效率会非常低。所以希望用专用的硬件控制外设与内存直接交换数据（DMA），而不通过CPU，这样数据传送的速度的上限就取决于存储器的工作速度。通常系统的总线是由CPU控制的，在DMA方式时，CPU需要让出总线，而由DMA控制器接管，DMA控制器得到总线控制权后，直接控制存储器和I/O交换数据，当DMA结束数据的传输工作（DMA结束）后再将总线交还CPU，这种方式称为DMA传输方式。1、DMA控制器的基本功能DMAC是控制存储器和外部设备之间直接高速地传送数据的硬件电路，它应能取代CPU，用硬件完成I/ORAM,RAMRAM之间的数据传送。具体地说应具有如下功能：（1）能接收外设的请求，向CPU发出DMA请求信号（总线请求）。（2）当CPU发出DMA响应信号之后，接管对总线的控制，进入DMA方式。（3）能寻址存储器，即能输出地址信息和修改地址。（4）能向存储器和外设发出相应的读/写控制信号。（5）能控制传送的字节数，判断DMA传送是否结束。（6）在DMA传送结束以后，能结束DMA请求信号，释放总线，使CPU恢复正常工作。存储器接口DMA控制器8086/8088CPUI/O设备①接口已准备好接收数据提出DMA请求⑤DMA请求被确认⑦接口锁存数据⑥存储器把数据放到数据总线上④DMA设备把地址放到地址总线上⑧撤销总线请求，控制返回到8086/8088⑨8086/8088撤销总线允许信号HLDA送回总线允许信号③发出总线请求②控制总线地址总线数据总线2、DMA过程*I/O地址为300HIOWGIOR