微型計算機的輸入輸出

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1、2021年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統 計 算 機 控 制 課 件 1 第 6章 微 型 計 算 機 的 基 本輸 入 輸 出機械系統計算機控制2008 機電學院 2021年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統 計 算 機 控 制 課 件 2 6.1 CPU與 外 設 通 信 的 特 點 需 要 接 口 作 為 CPU與 外 設 通 信 的 橋 梁 ； 需 要 有 數 據 傳 送 前 的 “ 聯 絡 ” ； 需 要 傳 遞 的 信 息 有 ： 狀 態(tài) 、 數 據 及 控 制信 息 。 2021年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統 計 算 機 控 制 課 件 3 6.

2、1 CPU與 外 設 通 信 的 特 點I/O接 口 接 口 的 定 義 :是 完 成 數 據 、 地 址 和 控 制 三 總 線 轉 換 和連 接 的 一 組 電 路CPU 數 據 總 線 DB地 址 總 線 AB控 制 總 線 CB 存 儲 器RAMROM I/O芯 片8259825382558251 I/O設 備顯 示 器打 印 機鍵 盤鼠 標 2021年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統 計 算 機 控 制 課 件 4CPU I/O設 備譯碼 數 據 端 口狀 態(tài) 端 口控 制 端 口 DBABCB 一 個 典 型 的 I/O接 口6.3 CPU與 外 設 通 信 的 接 口接

3、口電路基本結構數據口（輸入/輸出）：雙向；數據寄存器狀態(tài)口：只能由CPU讀入。狀態(tài)寄存器控制口：只能由CPU寫出?？刂萍拇嫫髅總€口由譯碼電路分配一個唯一的地址。 2021年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統 計 算 機 控 制 課 件 5 6.1 CPU與 外 設 通 信 的 特 點 6.1.1接 口 的 用 途1.進 行 地 址 譯 碼 或 設 備 選 擇 ；2.狀 態(tài) 信 息 應 答 ， 以 協 調 數 據 傳 送 之 前 的 準 備 工 作 ；3.進 行 中 斷 管 理 ， 提 供 中 斷 信 號 ；4.進 行 數 據 格 式 轉 換 ；5.進 行 電 平 轉 換 ；6.協 調

4、速 度 ；7.時 序 控 制 。8.對 數 據 傳 送 的 控 制 ， 具 體 為 ： 鎖 存 ， 隔 離 ， 驅 動 ，變 換 ， 連 絡 ， 定 時 等 作 用 。 2021年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統 計 算 機 控 制 課 件 6 6.1 CPU與 外 設 通 信 的 特 點 6.1.2 I/O端 口 的 尋 址 方 式1.存 儲 器 映 像 尋 址 （ 統 一 編 址 ）2.I/O映 像 編 址 （ 獨 立 編 址 ）此 時 ， 由 于 系 統 所 需 的 I/O遠 少 于 存 儲 單 元 ， 一 般只 設 置 256 1024， 因 此 只 需 要 8 10根 地

5、址 線 即 可 。 CPU與 外 部 設 備 通 信 ， 需 要 區(qū) 分 系 統 中 的 不 同 外 設 ， 就 必 須 為 每個 外 設 分 配 必 要 的 地 址 ， 為 了 與 存 儲 單 元 地 址 相 區(qū) 別 ， 這 樣 的地 址 稱 為 端 口 地 址 。 一 個 外 設 可 以 有 多 個 端 口 地 址 。 端 口 地 址的 形 成 ， 類 似 存 儲 器 地 址 的 形 成 。 2021年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統 計 算 機 控 制 課 件 7 6.1 CPU與 外 設 通 信 的 特 點 6.1.3 I/O端 口 地 址 形 成I/O映 像 編 址 （ 獨

6、 立 編 址 空 間 ） 的 優(yōu) 缺 點 ：優(yōu) 點 ： 不 占 用 存 儲 器 地 址 空 間 ； 地 址 線 數 較 少 ， 地址 譯 碼 較 簡 單 ， 尋 址 速 度 快 ； 使 用 專 用 指 令 ， 程 序可 讀 性 增 強 。缺 點 ： 專 用 指 令 少 ； 尋 址 方 式 單 一 ， 只 能 在 AX與 I/O之 間 交 換 信 息 ， 使 程 序 設 計 靈 活 性 差 ； 要 求 處 理 器 專 門 的 引 腳 ， 增 加 了 控 制 邏 輯 的 復 雜 性 ， 也 造 成 了CPU引 腳 數 的 增 加 。 2021年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統 計 算 機

7、 控 制 課 件 8 6.1 CPU與 外 設 通 信 的 特 點 6.1.3 I/O端 口 地 址 形 成1.存 儲 器 映 像 尋 址（ 統 一 編 址 ）2.I/O映 像 編 址（ 獨 立 編 址 空 間 ） 2021年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統 計 算 機 控 制 課 件 9 6.2 輸 入 輸 出 方 式 6.2.1程 序 控 制 傳 輸 方 式 包 括 ： 程 序 控 制 方 式和 DMA方 式 。 包 括 ： 同 步 傳 輸 方 式 、 異 步 查 詢 方 式 和 中 斷 方 式 。 1.同 步 傳 輸 方 式 （ 無 條 件 傳 輸 方 式 ） 簡 單 外 設

8、作 為 輸 入 設 備 時 ， 輸 入 數 據 時 間 相 對 于 CPU的 處 理 時間 長 很 多 ， 可 直 接 使 用 三 態(tài) （ 1、 0、 高 阻 態(tài) ） 緩 沖 器 和 數 據 總線 相 連 。 外 設 的 數 據 是 已 經 準 備 好 了 的 。 當 簡 單 外 設 作 為 輸 出 設 備 時 ， 一 般 需 要 鎖 存 器 ， 使 CPU輸 出 的數 據 能 夠 保 持 一 段 時 間 直 到 數 據 被 取 走 。 顯 然 也 要 求 CPU在 輸出 數 據 時 要 確 認 輸 出 鎖 存 器 是 空 的 。 2021年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統 計 算

9、機 控 制 課 件 10 6.2 輸 入 輸 出 方 式 6.2.1程 序 控 制 傳 輸 方 式2.異 步 查 詢 方 式 （ 條 件 傳 輸 方 式 ） 也 稱 為 程 序 查 詢 方 式 。 CPU通 過 程 序 不 斷 地 讀 取 并 測 試 外 設 的 狀 態(tài) ， 如 果 外 設 處 于 準備 好 狀 態(tài) （ 輸 入 設 備 ） 或 空 閑 狀 態(tài) （ 輸 出 設 備 ） ， 則 CPU執(zhí) 行輸 入 或 輸 出 指 令 ， 否 則 CPU處 于 循 環(huán) 查 詢 狀 態(tài) 。 為 此 ， 接 口 電路 除 了 有 數 據 端 口 外 ， 還 要 有 狀 態(tài) 端 口 。 還 需 要 通 過

10、 軟 件 或 硬 件 進 行 優(yōu) 先 級 排 序 。為 了 防 止 死 循 環(huán) ， 應 該 在 查 詢 流 程 中 設 置 一 個 等 待 超 時 值 。 2021年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統 計 算 機 控 制 課 件 11 6.2 輸 入 輸 出 方 式 當 系 統 中 有 多 個 外 設 時 ， CPU要 對 所 有 外 設 進 行 巡 回 查詢 。 查 詢 方 法 ：（ 1） 每 個 設 備 對 應 一 個 狀 態(tài) 端 口 ；（ 2） 一 個 狀 態(tài) 端 口 中 順 序 存 放 所 有 的 設 備 狀 態(tài) 信 息 ；（ 3） 在 上 述 端 口 前 增 設 一 個 優(yōu)

11、先 級 編 碼 器 。 2021年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統 計 算 機 控 制 課 件 12 6.2 輸 入 輸 出 方 式 6.2.1程 序 控 制 傳 輸 方 式3.中 斷 方 式這 種 方 式 下 CPU與 外 設 處 于 并 行 工 作 狀 態(tài) ， CPU不 必 花費 大 量 的 時 間 去 查 詢 外 設 的 工 作 狀 態(tài) ， 大 大 地 提 高 了CPU的 利 用 率 。 但 當 大 量 地 與 外 設 交 換 數 據 時 ， 有 可能 降 低 系 統 的 運 行 性 能 。 2021年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統 計 算 機 控 制 課 件 13

12、 6.2 輸 入 輸 出 方 式 6.2.2直 接 存 儲 器 存 取 方 式 （ DMA） DMA是 直 接 存 儲 器 存 取 （ Direct Memory Access） 的 簡稱 。 可 以 滿 足 高 速 I/O設 備 與 RAM進 行 批 量 傳 送 數 據 的 需要 。其 特 點 是 通 過 一 個 專 用 的 DMA控 制 器 ， 直 接 控 制 I/O設 備與 RAM的 數 據 傳 輸 ， 而 無 需 CPU介 入 。 即 用 硬 件 替 代 軟 件實 現 數 據 傳 輸 。在 實 現 DMA傳 輸 時 ， 是 由 DMA控 制 器 直 接 掌 管 總 線 ， 因 此存 在

13、 一 個 總 線 控 制 權 轉 移 的 問 題 。 2021年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統 計 算 機 控 制 課 件 14 6.3 CPU與 外 設 通 信 的 接 口 在 實 際 應 用 中 可 分 為 ： 專 用 接 口 和 通 用 接 口 ， 或 可 編程 接 口 和 不 可 編 程 接 口 ， 或 并 行 接 口 和 串 行 接 口 。狀 態(tài) 信 息 和 控 制 信 息 也 是 通 過 數 據 總 線 傳 遞 的 ， 由 于它 們 的 性 質 不 同 于 數 據 信 息 ， 故 在 傳 送 時 賦 予 不 同 的端 口 。因 此 一 個 外 設 往 往 占 有 幾 個

14、 端 口 ， 如 數 據 端 口 、 狀 態(tài)端 口 、 控 制 端 口 等 。 這 樣 一 來 ， CPU對 外 設 的 控 制 或CPU與 外 設 間 的 信 息 交 換 ， 實 際 上 就 轉 換 成 CPU通 過I/O指 令 讀 寫 斷 口 的 數 據 而 已 。 2021年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統 計 算 機 控 制 課 件 15 6.3 CPU與 外 設 通 信 的 接 口 6.3.1 同 步 傳 輸 方 式 與 接 口 又 稱 為 無 條 件 傳 輸 方 式 ， 主 要 應 用 于 外 設 的 時 序 和 控制 完 全 處 于 CPU控 制 之 下 的 場 合 。

15、 這 類 設 備 必 須 在 CPU限 定 的 時 間 內 準 備 就 緒 ， 并 且 完 成 數 據 的 發(fā) 送 和 接 收 。 實 際 上 在 無 條 件 傳 輸 方 式 下 ， 外 設 總 是 處 于 “ 等 待 ”狀 態(tài) ， 只 要 簡 單 地 將 I/O指 令 放 在 程 序 中 需 要 的 位 置既 可 。 2021年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統 計 算 機 控 制 課 件 16 6.3 CPU與 外 設 通 信 的 接 口 6.3.1 同 步 傳 輸 方 式 與 接 口 1.同 步 輸 入 方 式 1） 同 步 輸 入 過 程提 供 端 口 地 址 ， 以 便 CP

16、U從 指 定 的 外 設 中 取 入 數 據 ；執(zhí) 行 IN指 令 或 存 儲 器 讀 指 令 ；地 址 譯 碼 器 輸 出 ， 同 時 產 生 M/IO#和 RD#控 制 信 號 ；數 據 從 端 口 中 輸 入 至 CPU寄 存 器 。 2021年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統 計 算 機 控 制 課 件 17 6.3 CPU與 外 設 通 信 的 接 口 6.3.1 同 步 傳 輸 方 式 與 接 口 1.同 步 輸 入 方 式 2） 同 步 輸 入 硬 件 接 口 電 路為 了 防 止 CPU在 取 外 設 數 據時 ， 數 據 發(fā) 生 變 化 ， 往 往采 用 緩 沖 器

17、 或 鎖 存 器 把 外設 數 據 保 護 起 來 。 2021年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統 計 算 機 控 制 課 件 18 6.3 CPU與 外 設 通 信 的 接 口 6.3.1 同 步 傳 輸 方 式 與 接 口 1.同 步 輸 入 方 式 3） 緩 沖 器 74LS244 74LS244是 一 種 具有 三 態(tài) 輸 出 的 8位緩 沖 器 。 2021年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統 計 算 機 控 制 課 件 19 6.3 CPU與 外 設 通 信 的 接 口 2021年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統 計 算 機 控 制 課 件 20 6.3

18、 CPU與 外 設 通 信 的 接 口 6.3.1 同 步 傳 輸 方 式 與 接 口 2.同 步 輸 出 方 式 1） 同 步 輸 出 過 程提 供 端 口 地 址 ， 以 便 CPU將 數 據 送 到 指 定 的 外 設 ；執(zhí) 行 OUT指 令 或 存 儲 器 寫 指 令 ；地 址 譯 碼 器 輸 出 ， 同 時 產 生 M/IO#和 WR#控 制 信 號 ；CPU將 數 據 輸 出 到 端 口 。 2021年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統 計 算 機 控 制 課 件 21 6.3 CPU與 外 設 通 信 的 接 口 6.3.1 同 步 傳 輸 方 式 與 接 口 .同 步

19、輸 出 方 式 2） 同 步 輸 出 硬 件 接 口 電 路為 了 CPU數 據 準 確 傳 輸 到 目的 外 設 ， 除 了 提 供 正 確 的端 口 地 址 外 ， 還 需 將 數 據鎖 存 或 功 放 后 ， 再 提 供 給外 設 。 2021年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統 計 算 機 控 制 課 件 22 6.3 CPU與 外 設 通 信 的 接 口 6.3.1 同 步 傳 輸 方 式 與 接 口 .同 步 輸 出 方 式 3） 8位 D鎖 存 器 74LS273 74LS273是 8位 D鎖 存 器 。 只 有當 CP#端 為 低 電 平 時 ， D0D7輸 入 端 上

20、 的 信 號 才 會 被 鎖存 ， 并 在 Q0 Q7上 輸 出 ； 當CP#端 為 高 電 平 時 ， 原 被 鎖 存的 信 號 不 會 因 為 D0 D7上 信號 的 變 化 而 變 化 。 2021年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統 計 算 機 控 制 課 件 23 6.3 CPU與 外 設 通 信 的 接 口 2021年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統 計 算 機 控 制 課 件 24 6.3 CPU與 外 設 通 信 的 接 口 6.3.2 異 步 查 詢 方 式 與 接 口 在 大 多 數 情 況 下 ， 外 設 不 會 處 于 CPU的 控 制 之 下 ， 常

21、常 是 CPU和 外 設 的 工 作 不 同 步 。 簡 單 的 方 法 是 采 取 異 步 查 詢 方 式 ， CPU和 外 設 之 間 通過 “ 握 手 ” 信 號 進 行 交 流 ， 以 確 保 數 據 傳 輸 的 準 確 性 。 CPU檢 測 外 設 的 狀 態(tài) 端 口 ， 當 狀 態(tài) 滿 足 條 件 時 ， CPU與外 設 交 換 數 據 ； 否 則 ， CPU不 斷 地 檢 測 外 設 的 狀 態(tài) 端 口 。 2021年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統 計 算 機 控 制 課 件 25 6.3 CPU與 外 設 通 信 的 接 口 6.3.2 異 步 查 詢 方 式 與

22、接 口 1.異 步 查 詢 輸 入 方 式 與 接 口 當 CPU從 慢 速 的 設 備 取數 據 時 ， 需 要 查 詢 設備 是 否 已 經 準 備 好 。 2021年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統 計 算 機 控 制 課 件 26 6.3 CPU與 外 設 通 信 的 接 口 6.3.2 異 步 查 詢 方 式 與 接 口 1.異 步 查 詢 輸 入 方 式 與 接 口 2021年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統 計 算 機 控 制 課 件 27 6.3 CPU與 外 設 通 信 的 接 口 6.3.2 異 步 查 詢 方 式 與 接 口 1.異 步 查 詢 輸 入

23、 方 式 與 接 口 SPORT EQU 300H ； 狀 態(tài) 端 口 DPORT EQU 310H ； 數 據 端 口 TEST1: MOV DX, SPORT IN AL, DX ； 讀 取 狀 態(tài) 信 息 TEST AL, 01 ； 檢 查 D0位 JZ TEST1 ； 為 0， 表 示 無 數 據 輸 入 MOV DX, DPORT ； 為 1， 讀 入 數 據 IN AL, DX 2021年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統 計 算 機 控 制 課 件 28 6.3 CPU與 外 設 通 信 的 接 口 6.3.2 異 步 查 詢 方 式 與 接 口 2.異 步 查 詢 輸

24、出 方 式 與 接 口 當 CPU向 慢 速 的 設 備 發(fā) 送 數據 時 ， 需 要 查 詢 設 備 是 否已 經 準 備 好 。 若 外 設 沒 有 取 走 前 一個 數 據 ， CPU就 不 能 立即 輸 出 下 一 個 數 據 。 外 設 取 走 一 個 數 據 ， 就 會發(fā) 出 一 個 狀 態(tài) 信 息 。 2021年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統 計 算 機 控 制 課 件 29 6.3 CPU與 外 設 通 信 的 接 口 6.3.2 異 步 查 詢 方 式 與 接 口 2.異 步 查 詢 輸 出 方 式 與 接 口 2021年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統

25、 計 算 機 控 制 課 件 30 6.3 CPU與 外 設 通 信 的 接 口 6.3.2 異 步 查 詢 方 式 與 接 口 2.異 步 查 詢 輸 出 方 式 與 接 口 SPORT EQU 300H ； 狀 態(tài) 端 口 DPORT EQU 310H ； 數 據 端 口 TEST2: MOV DX, SPORT IN AL, DX ； 讀 取 狀 態(tài) 信 息 TEST AL, 01 ； 檢 查 D0位 JNZ TEST2 ； 為 1， 表 示 數 據 未 被 取 走 MOV DX, DPORT ； 為 0， 表 示 數 據 已 被 取 走 MOV AL, BX ； 從 數 據 區(qū) 調 來

26、 待 輸 出 的 數 據 OUT DX, AL ； 輸 出 數 據 2021年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統 計 算 機 控 制 課 件 31 6.4 8086CPU的 輸 入 輸 出 6.4.1 8086CPU的 I/O指 令 1.直 接 尋 址 I/O指 令 （ 8位 端 口 地 址 ） ： IN AL, n （ 字 節(jié) 輸 入 ）IN AX, n （ 字 輸 入 ）OUT n, AL （ 字 節(jié) 輸 出 ）OUT n, AX （ 字 輸 出 ） 2.DX寄 存 器 間 接 尋 址 I/O指 令 （ 16位 端 口 地 址 ） ： MOV DX, PORTIN AL, DX （

27、 字 節(jié) 輸 入 ）IN AX, DX （ 字 輸 入 ）OUT DX, AL （ 字 節(jié) 輸 出 ） OUT DX, AX （ 字 輸 出 ） 2021年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統 計 算 機 控 制 課 件 32 6.3 CPU與 外 設 通 信 的 接 口I/O接口（續(xù)）一般接口方式（三總線）（圖例）q DB直接連接接口芯片D7-D0q地址A15-A0低連高譯（得到I/O接口芯片地址）q控制總線對應連接 2021年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統 計 算 機 控 制 課 件 33 6.4.2 8086CPU的 I/O接 口 接口的基本功能對數據傳送的控制，具體為

28、：鎖存，隔離，驅動，變換，連絡，定時等作用。并行接口q速度快,成本高q適合近距離串行接口q速度慢,成本低q適合長距離注 意 CPU的 模 式 。 2021年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統 計 算 機 控 制 課 件 34 接 口 芯 片 譯 碼 例 子門電路譯碼（譯碼固定）分析8259A 的CS要求低電平q或門輸入必須為0；與非門輸入必須為1；非門輸入必須為0q滿足結果的輸入地址信號為：A9A800 A7A6A5001 1& CS 8259AA9A8A7 A6A5 “0”“0” “0”“0”“0”“1” “0”“0” 2021年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統 計 算 機

29、 控 制 課 件 35 接 口 芯 片 譯 碼 例 子譯碼器譯碼（74LS138)譯碼條件：接G2A#、G2B#的A9A8必須00譯碼結果：接CBA的A7A6A5q 000對Y0低 8259 CS （00000 xxxxxB）q 001對Y1低 8253 CS （00001xxxxxB）q 010對Y2低 8255 CS （00010 xxxxxB）q 111對Y7低 8251 CS （00111xxxxxB）A5 A6A7A8A9AEN A Y0B Y1C Y2 Y3 Y4G2A# Y5G2A# Y6G1 Y7 CS 8259CS 8253CS 8255CS 825174LS138 2021

30、年 5月 26日 星 期 三 機 械 系 統 計 算 機 控 制 課 件 36 外設74273& .D0 D7 D0IORA0A7A8A15IOW O. 74244CPD0D7 O0O7 BUSYO 8位 緩 沖 /總 線 驅 動 器8位 D鎖 存 器CP負 脈 沖 輸 出上 升 沿 鎖 存 狀 態(tài)數 據 MOV DX， 00FFHA1： IN AL ， DX AND AL ， 01HJZ A1 MOV AL ， BLOUT DX ， ALCPU向 外 設 輸 出 數 據 ， 先 查 狀 態(tài) BUSY （ BUSY = 0 外 設 忙 ， 不 能 輸 出 數 據 ） 只 有 BUSY = 1時 ， 才 能 由 數 據 口 輸 出 數 據