输入、输出端口

第七章 输入输出接口
7.1 I/O 接口的概述
一、 概述：
I/O 接口电路：是计算机与外设之间传输信息的部件，每个外设部件
都要通过相应的接口与系统总路线相连，实现与CPU
之间的数据交换。

接口技术：专门研究CPU 和外设之间的数据传输方式、接口电路的工作原理和使用方法等。

常见外设：键盘、鼠标、显示器、打印机、绘图仪、调制解调器、软
/硬盘驱动器、模/数转换器、数/模转换器等。

这些设备
挂接在总路线的各种接口电路与微处理器相连。

接口电路按功能可分两类
一类：是微处理器工作所需要的辅助/控制电路，通过这些辅助/
控制电路，使微处理器得到所需要的时钟信号或接收外部的多个中断请求等。

二类：是输入/输出接口电路，利用这些接口电路，微处理器可接
收外部设备送来的信息或将信息发送给外部设备。

为什么需要I/O 接口（电路）？
⏹ 微机的外部设备多种多样
⏹ 工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差别很大
⏹ 它们不能与CPU 直接相连
⏹ 必须经过中间电路再与系统相连
⏹ 这部分电路被称为I/O 接口电路
1、I/O 接口是位于系统与外设间、用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路
2、PC 机系统板的可编程接口芯片、I/O 总线槽的电路板（适配器）都是接口电路
二、 输入/输出信息
CPU 与I/O 设备之间传输的信息可分为：数据信息状态信息和控制信息三类。

C P U 接口 电路 I /O 设备
1、数据信息：交换的基本信息是数据，分三类
（1）数字量：用二进制形式表述的数据、图形、文字等信息并以并行的8位或16位进行传送。

（2）模拟量：连续变化的物理量，如温度（通过传感器先变成电压或电流，放大，再模数转换，送计算机。

（3）开关量：表示成两个状态，开/关、通/断，只要用一位二进制数表示。

2、状态信息：由外设发送给CPU用来协调CPU和外设之间的操作，
反映外设当前所处的工作状态。

输入设备用READY发CPU，表示输入数据是否就绪
输出设备用 BUSY 发CPU，表示输出设备是否处于空闲状态。

3、控制信息：CPU发外设控制外设工作，如外设的初始化，启动
和停止。

三、I/O接口的主要功能
⑴对输入输出数据进行缓冲和锁存输出接口有锁存环节，输入接口有缓冲环节。

⑵对信号的形式和数据的格式进行变换
微机直接处理：数字量、开关量、脉冲量
⑶对I/O端口进行寻址
⑷与CPU和I/O设备进行联络
（强调一下高阻状态：当门电路的输出上拉管导通而下拉管截止时,输出为高电平;反之就是低电平;如上拉管和下拉管都截止时,输出端就相当于浮空（没有电流流动）,其电平随外部电平高低而定,即该门电路放弃对输出端电路的控制。

（用有无电流作先决条件）
四、I/O接口的结构
每个I/O接口内部一般由三类寄存组成，传输时数据进入不同的寄存器，这些寄存器被称为I/O端口，每个端口有一个口地址。

（数据线、控制线是双向的，地址线是单向的）
五、I/O端口编址
1．I/O端口与内在统一编址：访内存的命令也访问到I/O，方便但可访内存变小。

2．I/O端口独立编址：不占内存空间但需要增加硬件电路及指令7.2 简单I/O接口芯片
传输过程中信息进行缓冲、锁存以及增大驱动能力。

1锁存器74LS373（图7.2）板述逻辑电路图，分析触发器的工作过程，得出芯片的工作原理。

2缓冲器74LS244（图7.3）板述逻辑电路图，分析非门，集成运放的工作原理，推出芯片的工作过程。

3数据收发器74LS245（图7.4）板述逻辑电路图，分析门电路及集成运用的工作原理，推出芯片的工作过程。

补充：1、三态缓冲器（三态门）
2、双向三态缓冲器
3、D触发器
4、三态缓冲锁存器（三态锁存器）
D触发器：信号保持，也可用作导通开关
7.3CPU与外设之间的数据传输方式
主要采用程序方式（无条件/条件）、中断方式和DMA方式三种方式。

一、程序方式是指微机系统与外设之间的数据传输过程在程序的
控制下进行分条件、无条件。

1、无条件传输方式：（1）定义介绍
（2）结合电路图做原理分析
（3）编程举例（例题7.1）（a）分析电路图（b）结合硬件编程2、条件传输方式：（1）定义介绍
（2）结合电路图做原理分析
（3）编程举例（例题7.2）（a）分析硬件电路（b）结合硬件编程
（重点）举例分析从端口读入数据和输出数据的过程。

二、中断方式：
在中断传输方式下，当输入设备将数据准备好或输出设备可以接收数据时，便可向CPU发出中断请求，使CPU暂时停止执行当前程序，而去执行一个数据输入/输出的中断服务程序，与外设进行数据传输操2，4，6作，中断服务程序执行完后，CPU又返回继续执行原来的程度。

实现主机和外设在一定程度上的并行工作。

若某一时刻同时有几个外设发中断时则CPU根据预先安排好的优先顺序处理。

三、 DMA方式
需要：当外设与内存或硬盘等之间需要进行直接的数据传送时，每次走CPU太烦锁。

1、DMA定义：
2、DMA的工作方式：
3、DMAC的连接方式
4、DMA的操作方法
5、区别：DMA有两种方式，一种是查询方式，一种是中断方式。

查询方式是通过查询标志位来判定DMA结束，中断方式是DMA结束的时候返回中断，在程序中不需要一直查询标志位。

DMA与中断的区别
⑴中断方式是在数据缓冲寄存器满之后发出中断，要求CPU进行中断处理，而DMA方式则是在所要求传送的数据块全部传送结束时要求CPU 进行中断处理。

这就大大减少了CPU进行中断处理的次数。

⑵中断方式的数据传送是在中断处理时由CPU控制完成的，而DMA方式则是在DMA控制器的控制下，不经过CPU控制完成的。

这就排除了CPU因并行设备过多而来不及处理以及因速度不匹配而造成数据丢失等现象。

输入/输出通道分类
按照信息交换方式和所连接的设备种类不同，通道可以分为以下三种类型：
⑴字节多路通道
它适用于连接打印机、终端等低速或中速的I/O设备。

这种通道以字节为单位交叉工作：当为一台设备传送一个字节后，立即转去为另一它设备传送一个字节。

⑵选择通道
它适用于连接磁盘、磁带等高速设备。

这种通道以“组方式”工作，每次传送一批数据，传送速率很高，但在一段时间只能为一台设备服务。

每当一个I/O请求处理完之后，就选择另一台设备并为其服务。

⑶成组多路通道
这种通道综合了字节多路通道分时工作和选择通道传输速率高
的特点，其实质是：对通道程序采用多道程序设计技术，使得与通道连接的设备可以并行工作。