微型计算机的输入输出

微机原理及应用
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1）查询式输入
输入状态
N
就绪？
Y
数据交换
STB
IBF 流程
1、STB有效，(1)、输入设备数据进入锁存器；(2)、IBF 有效 2、CPU读状态端口 3、CPU读数据端口，同时清IBF 杭州电子科技大学
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例3：设有某输入接口，状态口地址83H,数据口地址80H,当状 态口的D7为1时,数据准备好。试编写查寻式输入一个数据的 程序； POLL： IN TEST JZ IN AL，83H AL，80H ；检查状态位D7 POLL ；D7=0,没就绪，继续查询 AL，80H ；D7=1,就绪，从数据端口 ；读入数据 D7 D6
• CPU寻址状态口，读取状态字
输入状态
– 检测是否满足“就绪” 条件
• 如果不满足，回到第一步读取状态字；
N
就绪？
– 数据传送环节
• 外设已处于“就绪”状态，寻址数据口 • 是输入，通过输入指令从数据端口读入数据 • 是输出，通过输出指令向数据端口输出数据
Y
数据交换
流程
特点：工作可靠，适用面宽，但传送效率低 杭州电子科技大学
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4、输入/输出处理机控制方式
对于有大量输入/输出设备的微机系统，DMA控制方式已 不能满足这种需要。 Intel公司生产与86系列配套的输入/输出处理机(IOP)8089 86系列CPU必须工作在最大工作模式。
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几种数据传送方式特点？
• 无条件传送：慢速外设需与CPU保持同步 • 查询传送： 简单实用，效率较低，硬件开销小 • 中断传送：外设主动，可与CPU并行工作，但中断服 务保护现场等需要额外时间开销，需要硬件开销进行 中断管理 • DMA传送：DMAC控制，外设直接和存储器进行数据 传送，适合大量、快速数据传送,需要硬件开销 • 输入输出机传送:输入输出机(IOP)控制,适合大量输入/ 输出设备,与CPU可并行工作,需要硬件开销
重点内容
1、输入输出接口的功能与特点 2、输入输出各控制方式的特点 3、8086CPU输入输出地址译码与指令操作
学时: 3
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目录
6.1 输入/输出接口概念 6.2 输入/输出的控制方式 6.3 输入/输出端口地址与指令操作
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6.1 输入/输出接口概念
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为什么要用DMA方式传送数据？
• 希望克服程序控制传送的不足：
外设→CPU→存储器 外设←CPU←存储器
• 直接存储器存取DMA方式 –用专用接口电路直接和存储器进行数据传送。
外设→存储器 外设←存储器
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DMA的功能有哪些？
提问：
1、查询式传送方式有什么优缺点？中断方式为什么 能弥补查询式传送方式的缺点？
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2、直接存储器存取方式（DMA） (Direct Memory Access) • DMA特点：
– 具有接管和控制系统总线的功能，但在取得总 线控制权之前，与其它接口芯片一样，受CPU的控 制。 –在DMA方式，DMA管理总线，控制传送数据的开始 与结束，传送的字节数，传送的方向及地址。
接口在CPU 与外设之 间
CPU
I/O 设备
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3、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 实际的电路常见： 输出锁存缓冲环节、输入锁存缓冲环节
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 （对模拟量微机不能直接处理，要转换！）
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机械工程学院
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6.1 输入/输出接口概念 6.2 输入/输出的控制方式 6.3 输入/输出端口地址与指令操作
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学习目标
1、掌握输入输出接口的基本概念 2、掌握输入输出的相关控制方式原理 3、掌握输入输出端口地址译码与指令操作
– 启动外设
– – – – – 外设准备好数据,发一个选通信号 外设向CPU发中断请求 CPU受到中断请求信号，暂停现行程序 CPU执行中断服务程序，执行输入输出操作 中断服务程序结束，返回原来程序
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• 中断过程大致分为：
–中断请求：由需要提供中断服务程序的设备提出； –中断响应：CPU给设备发出一个中断应答信号； –现场保护：保护执行中断服务程序前的各种信息； –执行中断服务程序：完成特定的操作； –退出中断服务程序：恢复现场。
READY
D0
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2）查询式输出：
CPU查询外设状态是否忙,不忙,执行输出;否则等待。
读取状态信息 是
忙？ 否 输出数据
1、CPU读状态端口，查BUSY线 2、CPU写数据，(1)、数据进入数据锁存器；(2)、BUSY 有效 3、输出设备工作完毕，busy无效
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D7 D6 杭州电子科技大学 D0
BUSY
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提问：
• 条件传送方式的工作原理是怎样的？主要用在什 么场合？ • 画出条件传送（查询）方式输出过程的流程图。 • 查询式传送方式有什么优缺点？
优点：电路简单 缺点：降低CPU效率，实时性不强
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3)、中断传送方式
• CPU和输入/输出设备之间传送的信息有 哪几类？ • 一般的IO接口电路安排有哪三类寄存器？ 它们各自的作用是什么？
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6.1 输入/输出接口概念 6.2 输入/输出的控制方式 6.3 输入/输出端口地址与指令操作
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6.2 输入/输出的控制方式
⑶ 对I/O端口进行寻址 ⑷ 与CPU和I/O设备进行联络
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• 4、I/O接口的典型结构
–数据端口:存放CPU与外设之间传送的数据信息。 –状态端口:反映当前外设所处的工作状态。 –控制端口:CPU 通过接口向外设传送控制信息。
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5、CPU和I/O设备间的接口信息 • CPU和I/O设备间的交换的信息：
IO/M=1，RD=0，AL=10H 例2：输出：OUT 82H，AL；AL=10H
将AL中的内容送82H端口。
IO/M=1，WR=0，（82H）=10H
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2）、异步查询方式（条件传送方式）
CPU需要先了解（查询）外设的工作状态，然后在外设可 以交换信息的情况下（就绪）实现数据输入或输出 – 查询式数据传送过程3个环节： – 查询状态环节

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2).外设端口单独编址 （I/O映像的I/O寻址）
存储单元
存储地址空 间
I/O 端口
I/O 地址空间
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优点：
2).外设端口单独编址 （I/O映像的I/O寻址）
第一，I/O端口不占用存储器地址，故不会减少用 户的存储器地址空间；
第二，采用单独的I/O指令，使程序中I/O操作和其 他操作层次清晰，便于理解。
• 程序控制方式 同步传输方式（无条件传送方式） 异步查询方式（条件传送方式） 中断控制方式 • 直接存储器存取方式（DMA控制方式） • 输入输出处理机控制方式
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1、 程序控制方式
由程序控制CPU与外设之间的数据交换。
1)、同步传输方式（无条件传送方式） – 传送过程： • 外设已准备好，不查询外设的状态 • 输入时，外设的数据已送到三态缓冲器。 • 输出时，CPU的输出信息已送到输出锁存器的输入端。 – 用途：用于简单外设 • 开关 • LED显示器 • 前提：外设必须随时就绪 杭州电子科技大学
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• 中断传送方式的特点
– 中断传送是一种效率更高的程序传送方式 – 进行传送的中断服务程序是预先设计好的 – 中断请求是外设随机向CPU提出的 – CPU对请求的检测是有规律的：一般是在每 条指令的最后一个时钟周期采样中断请求输 入引脚
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• 1、为什么要接口电路?
– 微机的外部设备多种多样 – 外部设备数据格式、工作速度差别很大 因此，外设不能与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。
多种外设
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• 2、什么是I/O接口（电路）？
–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，接口就是CPU与外设的连 接部件,通常包含一组能够与处理器交换信息的寄存 器或缓冲器，称为I/O端口。 –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 接口 电路
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1).存储器与外设端口统一编址 （存储器映像的I/O寻址）

优点：
可以用访向存储器的指令来访问I/O端口，而访问存 储器的指令功能比较强，不仅有一般的传送指令，还有算 术、逻辑运算指令，以及各种移位、比较指令等，并且可 以实现直接对I/O端口内的数据进行处理。 缺点： 由于I/O端口占用了一部分存储器地址空间，因而使 用户的存储地址空间相对减小。另外不利于程序阅读。
①能接受外设的请求，并能向CPU发DMA请求信号； ②CPU接到DMA请求信号，如果允许，CPU发DMA响应信号，DMA控 制器接管总线，进入DMA方式；
③能寻址存储器，并修改地址； ④能向外设发读/写信号； ⑤能控制传送的字节数，判断DMA是否结束； ⑥DMA结束时，能向CPU发出结束信号，将总线控制权交还CPU；
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6.1 输入/输出接口概念 6.2 输入/输出的控制方式 6.3 输入/输出端口地址与指令操作
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6.3 输入/输出端口地址与指令操作
1、I/O端口编址方式 • 概念
–I/O端口:是接口电路中CPU能访问的寄存器的地址. –I/O操作:CPU对I/O接口电路(与设备相关)的操作. 不是访问I/O设备.
主程序
中断服务程序
• CPU在执行程序中，被 断点 内部或外部的事件所打 断，转去执行一段预先 继续执行 安排好的中断服务程序； 服务结束后，又返回原 来的断点，继续执行原 来的程序
中断请求
对外设 进行处理 返回断点Байду номын сангаас
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3)、中断传送方式
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3)、中断传送方式的原理
• 端口编址方式——两种方式
–将存储器与外设端口统一编址
（存储器映像的I/O寻址）
–外设端口单独编址 （I/O映像的I/O寻址） 杭州电子科技大学
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1).存储器与外设端口统一编址 （存储器映像的I/O寻址）
I/O 端口 I/O 地址空间
整个地址空间 存储单元 存储器地址空间
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例4：设有某输出接口，状态口地址63H,数据口地址 60H,当状态口的D0为1时,输出忙BUSY，D0为0时，可 以输出数据。试编写查寻式输出DAT单元一个数据的 程序。 查询部分的程序： POLL：IN AL，63H ；读入状态 TEST AL，01H ；检查忙标志D0 JNZ POLL ；D0=1,未就绪，继续查询 MOV AL，DAT ；D0=0,就绪,数据送AL OUT 60H，AL ；将数据输出到数据端口
– 数据信息：外设的数据 – 状态信息：I/O设备的状态 – 控制信息：CPU的控制信息
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• 主要接口芯片
– 计数器/定时器8253 – 并行接口8255 – 中断控制器8259 – DMA控制器8237 – 串行接口8250/8251
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提问：
缺点： 第一，单独I/O指令的功能有限，只能对端口数据进 行输入/输出操作，不能直接进行移位、比较等其他操 作； 第二，由于采用了专用的I/O操作时序及I/O控制信 号线，因而增加了微处理器本身控制逻辑的复杂性。
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1)、同步传输方式（无条件传送方式）
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无条件传送的工作原理 数据 输出端口
锁存器 74LS273
选中地址
写信号
输入端口
缓冲器 74LS244
读信号
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例1：输入：IN AL，80H； 80H端口内容为10H
将80H端口的内容送AL。