1、第6章 I/O接口技术 本章学习重点 微机的输入输出方式及其管理，接口的概念和组成,6.1 概述,计算机通过I/O设备与外界进行数据交换。微机系统中常用输入设备有键盘、鼠标、扫描仪和 数码相机等；常用输出设备有显示器，打印机，绘图 仪等。常用的具有输入输出双向传输功能的设备有串 行通信口、调制解调器、网卡等。I/O设备和外存储器统称为外部设备，简称外设。外部设备的种类繁多（光、机、电、声、磁等设 备），信息的形式各异（数字量、开关量、模拟量 等），工作速度也相差很远，CPU与外部设备间的信 息是十分复杂的。通常必须要通过I/O接口与外设交换信息。,6.1 概述,外设的种类繁多，数据信息的形式多
2、样，工作速度 相差很远。通常CPU不能直接通过系统总线与外部设 备交换信息。I/O接口是介于主机与外设之间的一种起缓冲转换匹 配作用的电路，用于将外设信号转变为计算机所兼容 的信号形式，或将计算机的信号转换为外设所兼容的 信号形式。I/O接口技术是研究CPU如何与外界进行高效、可靠 的信息交换的一门技术。,6.1 概述,6.1.1 接口电路及其功能CPU与外设之间交换信息的分类1）数据信息数字量 由二进制编码所表示的数和字符， 这是CPU与外界交换最多的数据信息。开关量 一位二进制表示两种状态的量。 模拟量 温度、压力、位移、电流、电压等物理量，模拟量的I/O要经过模数或数模转换；非 电量的模
3、拟量必须先转换成电量，然后再进行模数转换。,6.1 概述,2）状态信息CPU与外部设备交换数据信息时，需了解外部设备的状态信息，如外设是否准备好，等。状态信息是CPU与外设之间正确进行数据交换的前提。3）控制信息CPU发给外部设备的命令信息，如外设的工作模式，通知外设开始或停止工作等。,6.1 概述,接口电路的功能1）设备选择功能通过I/O接口中的地址译码器对外设进行寻址2）数据缓冲功能I/O接口电路中一般都设置锁存器或寄存器，以避免由于CPU与外设之间的速度不匹配而丢失数据； I/O接口电路通常还具有隔离功能，以防止外设对CPU的干扰。3）信号转换功能如CPU与外设的时序配合、电平匹配以及信
4、号逻辑关系等。,6.1 概述,4）可编程功能通过修改驱动程序从而改变I/O接口电路的工作方式，使I/O接口电路具备灵活性和可扩充性。5）中断管理功能I/O接口电路中设置了中断控制器，以便CPU处理中断事物。 6）数据宽度变换功能CPU处理的是并行数据，而有的外设只处理串行数据，I/O接口电路此时应具有串并变换功能。,6.1 概述,6.1.2 CPU与外设间的接口电路CPU通过总线与I/O接口连接。 I/O接口电路中有 三类寄存器：数据寄存器、状态寄存器、控制寄存 器。一个外设要占用几个端口，如数据口、状态口、 控制口， 每一个端口分配一个 端口地址（I/O端口）。需要注意的是， I/O接口电路
5、中的数据、状态、控 制三类信信息，通常是通过数据总线DB 传送的，虽 然只有在数据端口才进行真正的数据传送。,6.1 概述,6.1 概述,6.1.3 I/O端口的编址方式I/O端口与存储器一样，必须进行编址。各 I/O端口 的地址是唯一的。I/O端口的地址编排有两种方式： I/O端口独立编址 I/O端口与存储器统一编址80X86CPU采用I/O端口独立编址方式,6.1 概述,6.1.4 I/O指令对于I/O端口独立编址的方式，CPU需要专门的I/O 指令，包括直接端口寻址和间接端口寻址。端口号小于0FFH，可采用直接寻址，直接给出端口号端口号大于0FFH，则必须采用间接寻址，通过DX寄 存器给
6、出端口号。I/O端口的传送指令IN 输入指令 格式： IN 累加器，端口地址OUT输出指令 格式： OUT 端口地址，累加器,6.1 概述,例 IN AL，74H ；字节输入，直接寻址IN AL，DX ；字节输入，间接寻址IN AX，74H ；字输入，直接寻址IN AX，DX ；字输入，间接寻址OUT 76H，AL ；字节输出，直接寻址OUT DX，AL ；字节输出，间接寻址OUT 76H，AX ；字输出，直接寻址OUT DX， AX ；字输出，间接寻址上述74H ，76H为直接寻址时的端口号 ；间接寻址时，DX中提供16位端口地址。,6.1 概述,还有32位（双字）数的输入输出，如IN EA
7、X，74H ；直接寻址IN EAX，DX ；间接寻址OUT 76H，EAX ；直接寻址OUT DX， EAX ；间接寻址字节输入输出对应个1端口；字输入输出对应2个端口；双字输入输出对应4个端口；低位字节位于前端口，高位字节位于后端口。,例 IN AL，20H 若（20H）=49H，则指令结束后 AL=49H例 OUT DX，EAX 若（DX）=2000H， EAX=2FAB3147H 则指令结束后，端口地址为 2000H、 2001H、 2002H、 2003H 中的内容分别 为：47H、31H、0ABH和2FH。,6.1 概述,6.1.5 I/O接口地址配置80X86CPU对I/O端口采用
8、独立编址方式， I/O端 口地址分为两部分。一部分在主板上，地址范围00H0FFH，称为处 理器一级接口，可采用直接寻址方式。一部分在主板的扩展槽上，端口号100H3FFH， 称为系统一级接口，采用间接寻址方式。,6.1 概述,6.1.6 I/O的控制方式I/O的控制方式是指微机系统对数据传送的管理，微 机系统有三种I/O控制方式: 程序方式, 中断方式 和直接存储器访问(DMA)方式1）程序控制方式(查询方式)依靠程序的控制，即在程序中预先设置相应的I/O 指令，来实现微机和外设间的数据传送。,6.1 概述,2）中断控制方式所谓中断，是指CPU在运行期间，由于某些特殊 情况，被其内部或外部事
9、件所打断，转而去执行一 段特定的处理程序，完成后再回到原来的程序继续 执行。这段特定的处理程序叫做中断服务程序。中 断控制的传送方式，是指当外设准备就绪后，向 CPU发出中断请求，CPU暂停正在执行的程序，转 而去执行请求服务的中断服务子程序，进行数据的 传送。这种I/O控制方式称为中断方式。中断方式是最常用的一种实时控制方式。,6.1 概述,3）直接存储器访问(DMA)方式DMA方式指不通过CPU , 使存储器与外设之间直 接进行数据交换。这是一种高速数据传送方式，适 用于成组数据传送。程序控制方式和中断方式都是采用软件实现的数 据传送。DMA方式是一种由硬件实现的数据传送方 式。,6.2
10、程序控制的I/O,几乎所有计算机都可以采用程序控制的I/O，根据 外设性质的不同 6.2.1无条件传送方式 无条件传送方式最简单, 用于时序已知且固定,工 作状态很少变化，外设始终处于“准备好”或“空闲”的 场合. 使用场合不多 .其过程为： 提供端口地址 ；执行IN或OUT指令地址译码器输出和接口读或写信号相与，完成数 据的传送。,6.2 程序控制的I/O,6.2.2 查询传送方式在执行I/O前, 利用程序对外设的状态进行检测, 测 试外设是否准备就绪或“空闲” ，确认外设准备就绪 后才执行数据传送。这种方式的全部输入输出过程 都是在程序控制下完成的。 该方式能较好地协调外设与CPU , 所
11、需硬件接口 较简单。但CPU必须在程序循环中等待外设的准备就绪 , 等待查询将占用大量的CPU 时间。,6.2 程序控制的I/O,例 , 已知打印机接口电路中, 系统分配给的数据端口地址为378H , 状态端口地址为379H , 控制端口地址为37AH 打印AL字符的一段程序如下: PUSH AXMOV DX , 379H WAIT： IN AL , DXTEST AL , 80H JZ WAITMOV DX , 37AHMOV AL , 0DHOUT DX , ALPOP AXMOV DX , 378HOUT DX , AL,例6.3 START： MOV DL，0F8HMOV DI，OFF
12、SET DSTORCLDAGAIN： MOV AL，DLAND AL，0EFHOUT 04H，ALCALL DEALYMOV AL，DLOUT 04H，AL POLL： IN AL， 02HSHR AL，1JNC POLLIN AL，03HSTOSBINC DLJNE AGAIN,6.3 DMA方式,6.3.1概述为提高存储器与外设之间传送速度，使存储器与 外设之间不通过CPU直接交换信息 ，即DMA方式。DMA方式工作特点：设置了一个DMA控制硬件， 在数据传输时由DMA控制器掌握总线的控制权，无 需CPU介入。DMA方式不局限于存储器与外设之间的数据传 送，可扩展到存储器的两个区域之间或两
13、个高速外 设之间的数据传送。,6.3 DMA方式,DAM工作过程：1.外部设备向DMAC (DMA控制器)发出请求信号；2.DMAC向CPU发出总线请求信号；3.CPU完成当前正在执行的机器周期之后，使数据总线、地址总线处于高阻态，并发出响应信号；4.DMAC收到响应信号，接管总线控制权，通知外设准备进行数据传输，然后执行DMA传送；5.DMA操作结束时，DMAC向CPU发出结束信号，并将总线控制权交还CPU。,1.DMA操作的基本方式DMA操作的基本方式有3种：周期挪用、周期扩展 和CPU停机方式。周期挪用方式不减慢CPU操作，但需要复杂的 时序电路，而且数据传送过程不连续、不规则。周期扩展
14、方式会使CPU的处理速度减慢，且一 次只能传送一个字节。 CPU停机方式是最为常用也是最简单的一种 DMA传送方式。不过CPU处于空闲状态，会降低效 率，而且会影响DRAM的刷新等。,2.DMA的传送方式DMAC一般都有3种DMA传送方式：单字节传送方 式、成组传送方式和请求传送方式。单字节传送方式：一次只传送一个字节的数据。成组传送方式：一次可传送一组数据信息，所 传送数据信息的字节数由DMAC初始化编程决定。请求(查询)传送方式：类似成组传送方式，区别 是每传送一个字节后，DMAC要查询外设的DMA请 求是否继续有效。,6.3 DMA方式,6.3.1 DMA控制器8237AINTEL 82
15、37A是PC机常采用的DMA控制器。8237A有四个独立的可编程通道，即可以对四个I/O设备进行DMA操作，还可以通过级联方式来扩展通道数。每次传送的最大数据长度为64KB。PC/XT机系统板上采用了一块8237A，其四个通道分别用于控制动态随机存储器DRAM的刷新、预留用户、软磁盘接口和硬磁盘接口。,6.3 DMA方式,8237A可以在4种方式下工作：即单字节传送方 式、成组传送方式、请求传送方式和级联方式。其中级联方式主要用于扩展 通道数。 8237A的内部寄存器共有11种。分成两大类：一类是每个通道独立使用的寄存器，有基址寄存 器、基字节数寄存器、当前地址寄存器、当前字节 数寄存器和方式寄存器，共5种各4个；另一类是4个通道共有的寄存器，有命令寄存器、 请求寄存器、屏蔽寄存器、状态寄存器、暂存寄存 器和先后触发器，共6种各1个。,6.3 DMA方式,
