第五章 输入、输出与接口技术

D0
E
BUSY
D0
D0
Q0
D0
IOR
A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15
IOW
~
D7
1
~
~
D7
74LS273
~
Q7
D7 外设
&
1 1
CP
1
查询传送方式
START:MOV AX,4000H MOV DS,AX MOV SI,8000H MOV CX,100 MOV DX,00FFH IN AL,DX AND AL,01H JZ WAIT MOV AL,[SI] OUT DX,AL INC SI LOOP GOON RET
无条件传送方式
无条件传送方式也称为同步传送方式，主要用于对简单外设进 行操作，或者外设的定时是固定的或已知的场合。也就是说，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，或者在某些固定 时刻，它们处在数据就绪或准备接收状态，因此程序可以不必检查外 设的状态，而在需要进行输入或输出操作时，直接执行输入输出指令。 无条件传送方式一般用于控制CPU与低速接口之间的信息交换. 例如开关、温度、压力流量等(A/D)转换器。由于这些信号变换缓慢， 当需要采集这些数据时，外设已经将数据准备就绪了，因此无需检查 端口的状态，就可以立即采集数据。由于数据保持时间相对于CPU的 处理时间长得多，故输入端可直接用输入缓冲器与CPU的数据总线相 连。若外设是输出设备，一般要求接口有锁存能力，也就是CPU送给 外设的数据应该在接口中保持一段时间，其原因是外设的速度较慢， 所以要求CPU送到接口的数据能保持到外设动作相适应的时间。
输入/输出设备与CPU信息交换时有什么问题？ 外部设备种类繁多，从工作原理来讲，可分为机械式、电动式、 电子式和其它形式等几类。它们对所传输的信息的要求也各不相同， 这就给计算机和外设之间的信息交换带来以下一些问题： (1)速度不匹配：CPU的速度很高，而外设的速度要低得多，而且不同的 外设速度差异甚大，它们之中既有每秒钟能传送兆位数量级的硬磁盘， 也有每秒钟只能打印百位字符的串行打印机或速度更慢的键盘。 (2)信号电平不匹配：CPU所使用的信号都是TTL电平，而外设大多是复 杂的机电设备，往往不能用TTL电平所驱动，必须有自己的电源系统 和信号电平。 (3)信号格式不匹配：CPU系统总线上传送的通常是8位、16位或32位的 并行数据，而各种外设使用的信息格式各不相同。有些设备上用的是 模拟量，而有些是数字量或开关量；有些设备上的信息是电流量，而 有些却是电压量，有些设备采用串行方式传送数据，而有些则用并行 方式。 (4)时序不匹配：各种外设都有自己的定时和控制逻辑，与计算机的CPU 时序不一致。
4) 数据转换功能
当外设提供的数据形式不是CPU能直接接受的形式时，则 通过接口转换成CPU可接受的形式。如A/D，串/并转换等， 反之也一样。
5) 联络功能
当CPU要访问外设时，首先要查询外设状态，能否接受访 问，接口应将外设状态准备好，供CPU查询；或向CPU 发特定的信号通知外设已准备好。
6) 数据缓冲功能

中断传送方式
中断传送方式会在每次外设准备好或空闲时，主动向CPU发出中断 请求，以示要传送数据，CPU响应该请求后，执行中断服务程序，实现 与外设的数据传送。其工作过程简述如下： ⑴ 暂停主程序，实现程序的转移，即中断响应； ⑵ 保护和恢复有关寄存器的内容； ⑶ 执行I/O操作，并实现内存←→累加器←→端口之间的传送； ⑷ 实现中断返回。
如果不满足，则回到前一步读取状态字； ⑶ 如状态字表明外设已处于“就绪”状态，则传送数据。
开始
查询传送方式
开始
否 初始化
测试数据 是否准备好
初始化 否
是 输入一个字节或字到CPU
外设是否准备好？
对数据进行处理 传送到内存缓冲区 操作完成否？ 处理缓冲区中数据
是
输出一个字节或字到外设
操作完成否？ 后续处理 查询方式输出过程流程图

5.2.1接口的功能： 1)寻址功能
识别是否是I/O口的操作信号，识别是否为端口的片选信 号，识别是芯片的哪个寄存器被访问。
2) 输入/输出功能
根据CPU通过控制总线送来的读写信号决定是输入操作还 是输出操作。
3) 可编程功能
有些接口具有可编程特性，可以通过指令设定接口的工作 方式，工作参数，以满足不同外设的要求。
DMA(Direct Memory Access)控制方式
Intel 公司的80486微处理器的片内Cache一般在 1~16KB之间。有些具有RISC结构的微处理器 片内Cache已达32KB。有的微机了为提高性能， 除了片内Cache之处，还增设一个片外的二级 Cache，其容量一般在256KB以上。
1号外设 准备就绪？
否 是 对1号外设服务
2号外设 准备就绪？
否
是
对2号外设服务
3号外设 准备就绪？
否
是
对3号外设服务
查询传送方式
优点：接口电路和程序设计都较为简单， 容易实现。 缺点：CPU外设不能并行工作，CPU的 效率低，外设得不到及时响应。 适用场合：这种传送方式适用于一般工 作速度较慢的外设，特别是外设数量不 多，实时性要求不高的场合。

DMA(Direct Memory Access)控制方式
中断控制的I/O虽然克服了查询方式I/O的缺点，能够快速响应I/O 传送的请求，但是I/O设备的服务仍然是由软件实现，为完成一个字节(字) 的数据传送，CPU必须执行很多额外的工作。当要求快速进行数据传送 的场合，执行上述过程已无法满足系统实时性的要求。这时可以采用直接 存储器存取，由DMA控制器实现外设←→存储器间的直接传送。 采用DMA方式传送数据时，需要一块专门的硬件电路(通常叫DMA 控制器)对整个数据传送过程进行管理。这种控制器能给出访问内存所需 要的地址信息，并能自动修改地址指针，也能设定和修改传送的字节数， 还能向存储器和外设发出相应的读/写控制信号。在DMA传送结束后，它 能释放总线，把对总线的控制权又交还给CPU。因此采用DMA方式传输 数据时，不需要进行保护和恢复断点及现场之类的额外操作，一旦进入 DMA操作，就可直接在硬件的控制下快速完成一批数据的交换任务，数 据传送的速度基本上取决于外设和存储器的存取速度。
主机与外设速度相差很大，为了防止数据丢失，I/O接口 均设有双向数据缓冲器。
7) 中断管理功能
有专门的中断管理接口，能完成中断判优、中断屏蔽，向 CPU送入中断类型码等功能。
8) 错误检测功能
多数可编程芯片都能自动检测出传输过程中出现的错误。
1.传输错误，如串口中的奇偶校验
2.覆盖错误
9) 复位功能
查询输出方式
查询输入方式
查询传送方式
74244
【例6-3】现欲将8000H为 首地址的顺序100个单元的 数据，利用查询方式输出 到外设。外设经输入输出 接口与8086的系统总线连 接。CPU通过三态接口 (74LS244)可以查询外设的 状态，而且当外设状态信 号=1时，可以接收CPU由锁 存器(74LS273)输出的数据。 =0时，表示外设处于忙状 态，不能接收数据。（两 个端口地址都是00FFH）
【例6-2】类似于例6-1中，让接在Q0～Q7上的二极管自上而下轮流点亮3s， 编写程序实现。 MOV MOV OUT CALL ROL JMP AL,01H DX,0000H DX,AL DELAY AL,1 LOP ;使Q0为1，LED0先亮 ;将信息送0000H端口 ;调用延时3S子程序 ;小循环左移1位 ;循环点亮LED
中断传送方式
INTR 准备好 准备好
CPU
D7~0
数 据 锁 存 器
D7~0
输 出 设 备
CPU
D7~0
数 据 缓 冲 器
D7~0
数 据 锁 存 器
D7~0
输 入 设 备
地址线
地址译 码电路 中断输出方式
地址线
地址译 码电路 中断输入方式
中断传送方式
优点：系统的工作效率高，CPU、I/O设 备可以并行工作，外设可以主动向CPU 请求，能够得到CPU的及时响应。 缺点：每次传送数据，CPU都要做许多 额外的工作，传送速度仍然不是很快。 适用场合：这种方式适用于一般工作速 度不是很快的外设，特别是实时控制、 检测场合。
能接受主机的复位信号，使系统重新启动。
10) 时序控制功能
接口电路具有自己的时钟，以满足外设在时序方面的要求。
5.2.2接口的组成：
尽管不同功能的接口实际电路差别很大，但 逻辑上都包括控制部件、状态寄存器、数据寄存器 与缓冲电路等,如下图
5.3 CPU与i/o端口的数据传输方式
在计算机的操作过程中，最基本的最大量的 操作是数据传送。在微机系统中，数据主要在 CPU、存储器和I/O接口之间传送，在数据传送过 程中，关键问题是数据传送的控制方式，微机系 统中的数据传送的控制方式主要有软件传送方式 (程序控制方式)和硬件传送方式(主要是DMA直接 存储器存取)方式。其中，程序控制方式又包括： 无条件传送方式、查询传送方式和中断传送方式。
LOP:
查询传送方式
查询传送也称条件方式传送，用查询方式传送时， CPU通过执行程序不断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)或者空闲状态(输出设备)，则 CPU执行输入指令或输出指令与外设交换信息。因此，接 口电路除了有传送数据的端口，还要求有传送状态的端口。 对于条件传送来说，一个数据传送过程由3个环节组成： ⑴ CPU从接口中读取状态字； ⑵ CPU检测状态字的对应位是否满足“就绪”的条件，
什么是输入/输出接口？ 因此，要实现外部设备与主机之间的连接 (connection)和信息交换，必须经过一个数据转换和传输 的设备。这种设备，我们叫做I/O接口(interface)。