第二章输入输出接口技术和输入输出通道
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第二章 输入输出接口技术和输入输出通道
本章学习目的: 解决微型计算机和外部的连接 问题，使计算机和外部构成一个整体，能正确、 可靠、高效率的交换信息，这是设计一个微机 控制系统必须解决的基本问题。
§2.1 概述
为何外围设备不能像存储器直接挂到 主机CPU的总线上？
原因：
形式多样
输入输出类型不同
工作速度不同
I/O方式的选择必须满足实时控制的要求。对于查询 式I/O方式，满足实时控制要求的使用条件是： “所有外围设备的 服务时间的总和必须小于或等 于任一外围设备的 最短响应时间 （也称危险时 间）”。
? 服务时间指某台外设服务子程序的执行时间。 ? 最短响应时间 指某台设备相邻两次请求服务的
最短间隔时间。
注意 输入数据时应确信外设已经准备好数据，输出 数据时应确信外设已经读走前一个数据。
2. 查询传送方式（条件传送方式） ? 查询式I/O方式，也称条件传送方式。此时， CPU和外
围设备的I/O接口除需设置数据端口外，还要有状态端 口。
从状态端口读入状态信息
N
外设准备好？
Y
从数据端口传送一个数据
当一个微机系统有 多个外设采用查询 式交换信息时， CPU需采用分时控 制方式，逐一查询， 逐一服务。 例：假设某微机控 制系统采用查询式 对1#，2#，3#三个 外围设备进行I/O管 理，其简化程序流 程图如图2—4所示。 查询程序见教材
软件查询式中 断控制I/O处理程序 流程图如图2—9所 示。
2) 雏菊链法
中断回答
中断请求
0
雏菊莲逻
1
= >
辑电路
0
0
INTA INTR
0 >=1
0 0
3) 专用硬件方式
在微机系统或微机控制系统中更多的是采用专用硬件 芯片——中断控制器来进行中断优先级管理的。在 8086/8088微机系统中常常采用的是可编程中断控制器 8259A。1片8259A能管理8级中断，从其引脚IR7~IR0 接收8个I/O设备的中断请求，请求标志积存在中断请 求寄存器IRR中，然后通过中断优先级裁决器的裁决， 选中当前优先级最高的中断请求，使8259A的输出端 INT为1，从而向CPU发出一个中断请求。
多重中断处理时必须解决的四个问题： ? 保存现场和恢复现场。 ? 正确判断中断源。 ? 实时响应。 ? 按优先权顺序处理。
2. 中断优先级问题的解决
? 软件查询方式
? ?
雏菊链法
1) 软件查询方式
?? 专用硬件方式
各外设的优先
权顺序就由查询序 列中它所处的位置 决定，先查询的设 备优先权最高，最 后查询的设备优先 权最低。即：查询 的先后顺序决定了 各外设的优先权高 低。
信息类型和传送方式不同
1、接口、通道及其功能
1)I／O接口电路： 是主机和外围设备之间交换信 息的连接部件，使主机和外设能够协调工作，有 效地完成信息交换。
其功能如下： 解决主机CPU和外围设备之间的时序配合和通信联络问
题（数据锁存器、缓冲器、状态寄存器、中断控制电路） 解决CPU和外围设备之间的数据格式转换和匹配问题 解决CPU的负载能力（总线控制器）和外围设备端口选
择问题（锁存器、缓冲器）
2)I／O通道
I／O通道：也称为过程通道。它是计算机和控制对 象之间信息传送和变换的连接通道。 ? 信号的输入通路。
?
? 信号的输出通路。
输入和输出通路的主要功能 ——— 实现模拟量与数字量之间的信号 变换。
2、I／O信号的种类
通常有三类信息：
? 数字量
数据信息
? ?
模拟量
§2.2.1 程序控制方式
?
程序控制 I/O方式：指 CPU和外围设备之间
的信息传送，是在程序控制下进行的。它又可
分为无条件 I/O方式和查询式 I/O方式。
1 无条件I/O方式
? 无条件 I/O 方式：指不必查询外围设备的 状态即可进行信息传送的 I/O方式。适用于简 单外设的操作。其工作原理如下图所示 。
查询方式一般适用于各外围设备服务时间不太长、 最短响应时间差别不大的情况。
§2.2 2．中断控制 I/O方式
主程序
中断源1 中断源2
中断请求1 INTR
百度文库断点
中断请求2 INTR
使用堆栈 保护断点
中断服务 程序1 IRET
中断服务 程序2
IRET
中断运行过程
1. 中断控制I/O时应解决的问题
外部中断：是通过I／O接口硬件向CPU发出中断请求信号， 从而引起一个中断处理过程。
? ?
?? 开关量
? ??
状态信息 控制信息
CPU
数据 状态 控制
外部 设备
3、计算机和外部的通信方式
? 并行通信： 把一个字符的各数位用几条线同时进行传输
? ?
??串行通信： 数据按位进行传送的
串行通信
全双工方式
?
? 半双工方式
?
??
同步通信 异步通信
全双工方式: 数据信息能沿相反两个方向传送。
SYN SYN
...
SYN
?? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ?? ? ??
控制字符
数据字符
控制字符
异步通信：要传送的字符代码前加一起始位，以示该字 符代码开始，在字符代码后面加一停止位， 以示该字符代码结束。
§2.2 I／O控制方式
? I/O控制方式分为三种 ：程序控制方式、 中断 控制方式 和直接存储器方式。
数据
发送
应答
A
数据
接收
应答
接收 B 发送
半双工方式: 数据信息可沿数据传输线的两个方向传送，但 同一时刻只能沿一个方向传送。
发送
A
K1
接收
接收
K2
B
发送
同步通信：
在一组字符前后加同步字符，标志一组数据 块的开始与结束，接收装置接收到同步字符 而开始接收数据，直到接收后同步字符，一 帧数据接收结束。
P20
3 查询式I/O方式的优缺点及使用条件
优点：查询式接口电路简单，不占用中断输入线，同时 查询程序也简单，易于设计调试。由于查询式I/O方式是 通过CPU执行程序来完成的，因此各外设的工作与程序 的执行保持同步关系，特别适用于多个按一定规律顺序 工作的生产机械或生产过程的控制。
缺点：查询式I/O方式下，CPU要不断地读取各外设状态， 一一查询各外设是否有服务请求。浪费主机时间，效率 较低。
? 例：用查询式管理键盘输入，若程序员在终端 按10个字符 /秒的速度打字，那么计算机平均用 100ms 的时间完成一个字符的输入过程，而实 际上从终端读入一个字符并送出显示等处理的 时间只需约 50μs，如果同时管理 30台终端，那 么用于测试状态和等待时间为： 100000μ s50×30μ s=98500μ s；可见， 98.5% 的时间都在 查询等待中浪费了。
本章学习目的: 解决微型计算机和外部的连接 问题，使计算机和外部构成一个整体，能正确、 可靠、高效率的交换信息，这是设计一个微机 控制系统必须解决的基本问题。
§2.1 概述
为何外围设备不能像存储器直接挂到 主机CPU的总线上？
原因：
形式多样
输入输出类型不同
工作速度不同
I/O方式的选择必须满足实时控制的要求。对于查询 式I/O方式，满足实时控制要求的使用条件是： “所有外围设备的 服务时间的总和必须小于或等 于任一外围设备的 最短响应时间 （也称危险时 间）”。
? 服务时间指某台外设服务子程序的执行时间。 ? 最短响应时间 指某台设备相邻两次请求服务的
最短间隔时间。
注意 输入数据时应确信外设已经准备好数据，输出 数据时应确信外设已经读走前一个数据。
2. 查询传送方式（条件传送方式） ? 查询式I/O方式，也称条件传送方式。此时， CPU和外
围设备的I/O接口除需设置数据端口外，还要有状态端 口。
从状态端口读入状态信息
N
外设准备好？
Y
从数据端口传送一个数据
当一个微机系统有 多个外设采用查询 式交换信息时， CPU需采用分时控 制方式，逐一查询， 逐一服务。 例：假设某微机控 制系统采用查询式 对1#，2#，3#三个 外围设备进行I/O管 理，其简化程序流 程图如图2—4所示。 查询程序见教材
软件查询式中 断控制I/O处理程序 流程图如图2—9所 示。
2) 雏菊链法
中断回答
中断请求
0
雏菊莲逻
1
= >
辑电路
0
0
INTA INTR
0 >=1
0 0
3) 专用硬件方式
在微机系统或微机控制系统中更多的是采用专用硬件 芯片——中断控制器来进行中断优先级管理的。在 8086/8088微机系统中常常采用的是可编程中断控制器 8259A。1片8259A能管理8级中断，从其引脚IR7~IR0 接收8个I/O设备的中断请求，请求标志积存在中断请 求寄存器IRR中，然后通过中断优先级裁决器的裁决， 选中当前优先级最高的中断请求，使8259A的输出端 INT为1，从而向CPU发出一个中断请求。
多重中断处理时必须解决的四个问题： ? 保存现场和恢复现场。 ? 正确判断中断源。 ? 实时响应。 ? 按优先权顺序处理。
2. 中断优先级问题的解决
? 软件查询方式
? ?
雏菊链法
1) 软件查询方式
?? 专用硬件方式
各外设的优先
权顺序就由查询序 列中它所处的位置 决定，先查询的设 备优先权最高，最 后查询的设备优先 权最低。即：查询 的先后顺序决定了 各外设的优先权高 低。
信息类型和传送方式不同
1、接口、通道及其功能
1)I／O接口电路： 是主机和外围设备之间交换信 息的连接部件，使主机和外设能够协调工作，有 效地完成信息交换。
其功能如下： 解决主机CPU和外围设备之间的时序配合和通信联络问
题（数据锁存器、缓冲器、状态寄存器、中断控制电路） 解决CPU和外围设备之间的数据格式转换和匹配问题 解决CPU的负载能力（总线控制器）和外围设备端口选
择问题（锁存器、缓冲器）
2)I／O通道
I／O通道：也称为过程通道。它是计算机和控制对 象之间信息传送和变换的连接通道。 ? 信号的输入通路。
?
? 信号的输出通路。
输入和输出通路的主要功能 ——— 实现模拟量与数字量之间的信号 变换。
2、I／O信号的种类
通常有三类信息：
? 数字量
数据信息
? ?
模拟量
§2.2.1 程序控制方式
?
程序控制 I/O方式：指 CPU和外围设备之间
的信息传送，是在程序控制下进行的。它又可
分为无条件 I/O方式和查询式 I/O方式。
1 无条件I/O方式
? 无条件 I/O 方式：指不必查询外围设备的 状态即可进行信息传送的 I/O方式。适用于简 单外设的操作。其工作原理如下图所示 。
查询方式一般适用于各外围设备服务时间不太长、 最短响应时间差别不大的情况。
§2.2 2．中断控制 I/O方式
主程序
中断源1 中断源2
中断请求1 INTR
百度文库断点
中断请求2 INTR
使用堆栈 保护断点
中断服务 程序1 IRET
中断服务 程序2
IRET
中断运行过程
1. 中断控制I/O时应解决的问题
外部中断：是通过I／O接口硬件向CPU发出中断请求信号， 从而引起一个中断处理过程。
? ?
?? 开关量
? ??
状态信息 控制信息
CPU
数据 状态 控制
外部 设备
3、计算机和外部的通信方式
? 并行通信： 把一个字符的各数位用几条线同时进行传输
? ?
??串行通信： 数据按位进行传送的
串行通信
全双工方式
?
? 半双工方式
?
??
同步通信 异步通信
全双工方式: 数据信息能沿相反两个方向传送。
SYN SYN
...
SYN
?? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ?? ? ??
控制字符
数据字符
控制字符
异步通信：要传送的字符代码前加一起始位，以示该字 符代码开始，在字符代码后面加一停止位， 以示该字符代码结束。
§2.2 I／O控制方式
? I/O控制方式分为三种 ：程序控制方式、 中断 控制方式 和直接存储器方式。
数据
发送
应答
A
数据
接收
应答
接收 B 发送
半双工方式: 数据信息可沿数据传输线的两个方向传送，但 同一时刻只能沿一个方向传送。
发送
A
K1
接收
接收
K2
B
发送
同步通信：
在一组字符前后加同步字符，标志一组数据 块的开始与结束，接收装置接收到同步字符 而开始接收数据，直到接收后同步字符，一 帧数据接收结束。
P20
3 查询式I/O方式的优缺点及使用条件
优点：查询式接口电路简单，不占用中断输入线，同时 查询程序也简单，易于设计调试。由于查询式I/O方式是 通过CPU执行程序来完成的，因此各外设的工作与程序 的执行保持同步关系，特别适用于多个按一定规律顺序 工作的生产机械或生产过程的控制。
缺点：查询式I/O方式下，CPU要不断地读取各外设状态， 一一查询各外设是否有服务请求。浪费主机时间，效率 较低。
? 例：用查询式管理键盘输入，若程序员在终端 按10个字符 /秒的速度打字，那么计算机平均用 100ms 的时间完成一个字符的输入过程，而实 际上从终端读入一个字符并送出显示等处理的 时间只需约 50μs，如果同时管理 30台终端，那 么用于测试状态和等待时间为： 100000μ s50×30μ s=98500μ s；可见， 98.5% 的时间都在 查询等待中浪费了。