第6章 输入输出和中断技术

第六章输入和输出系统学习目的描述端口的编址方式说明端口地址译码的作用描述接口与CPU和外设的信号说明接口中主要的端口的作用说明程序传送方式的类型与原理说明中断传送方式原理说明DMA原理重点与难点存储器地址译码电路的设计6.1概述接口就是CPU与外界的连接部件，是CPU与外界交换信息的中转站。一．CPU与I/O接口接口电路按功能可分为两类：①使微处理器正常工作所需要的辅助电路：时钟信号或中断请求等；②输入/输出接口电路：CPU与外部设备信息的传送（接收、发送）。最常用的外部设备：如键盘、显示装置、打印机、磁盘机等都是通过输入/输出接口和总线相连的，完成检测和控制的仪表装置也属于外部设备之列，也是通过接口电路和主机相连。二、接口的功能（8种）：⑴寻址能力：对送来的片选信号进行识别。⑵输入/输出功能：根据读/写信号决定当前进行的是输入操作还是输出操作。⑶数据转换功能：并行数据向串行数据的转换或串行数据向并行数据的转换。⑷联络功能：就绪信号，忙信号等。⑸中断管理：发出中斯请求信号、接收中断响应信号、发送中断类型码的功能。并具有优先级管理功能。⑹复位：接收复位信号，从而使接口本身以及所连的外设进行重新启动。⑺可编程：用软件来决定其工作方式，用软件来设置有关的控制信号。⑻错误检测：一类是传输错误。另一类是覆盖错误。注：一些接口还可根据具体情况设置其它的检测信息。三．I/O接口与系统的连接1．CPU与I/O设备之间的信号（三类）数据信息包括三种形式：数字量、模拟量、开关量状态信息是外设通过接口往CPU传送的如：“准备好”(READY)信号、“忙”（BUSY）信号控制信息是CPU通过接口传送给外设的如：外设的启动信号、停止信号2．接口部件的I/O端口：⑴数据端口、⑵控制端口、⑶状态端口CPU和外设进行数据传输时，各类信息在接口中进入不同的寄存器，一般称这些寄存器为I/O端口，每个端口有一个端口地址。用于对来自CPU和内存的数据或者送往CPU和内存的数据起缓冲作用的，这些端口叫数据端口。用来存放外部设备或者接口部件本身的状态，称为状态端口。用来存放CPU发出的命令，以便控制接口和设备的动作，这类端口叫控制端口。如图所示：注：⑴输入还是输出，所用到的地址总是对端口而言的，不是对接口部件而言的。⑵为了节省地址空间，将数据输入端口和数据输出端口对应同一个端口地址。同样，状态端口和控制端口也常用同一个端口地址。⑶CPU对外设的输入/输出操作就归结为对接口芯片各端口的读/写操作。6.2I/O端口编址方式一.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.二.端口编址方式CPU寻址外设有两种方式：将存储器与外设端口统一编址外设端口单独编址1.统一编址:将外设接口电路的一个端口作为存储器的一个单元。每一个外设端口占有存储器的一个地址。优点：不需要专门的输入输出指令，可用全部的存储器操作指令。（指令多且灵活）如：movkou1,bx缺点：外设占用内存单元，相对减少了内存容量。65F3020024E0内存与外设内存外设Kou1026D0000000001EFFFFF0000F0001F0002FFFFF2.外设端口单独编址优点：不占用内存缺点：CPU需设专门的I/O指令。I/O指令：•若端口地址在0～FFH范围内,则用直接寻址INAL，端口地址（输入）OUT端口地址，AL（输出）如：INAL,20HOUT80H,AXOUT84H,AL•若端口地址在0100～FFFFH范围内，则用DX间接寻址:MOVDX,端口地址INAL,DXOUTDX,AL如：MOVDX,300HINAL,DX65F30200外设000000FFFFFF0100KOU1KOU2KOU311223344KOU100KOU10111323201内存00000FFFFF三、I/O端口地址分配1.IBMPC/XTI/O端口地址分配图0000001F0020003F0040005F0060007F0080009F00A000BF008001FF32字节320字节32字节32字节32字节32字节32字节0000～000F8237A—5DMA控制器0020～00218259A中断控制器0040～00438253A—5定时/计数器0060～00638255A—5并行接口芯片0080～0083DMA页面寄存器00A0～00BFNMI屏蔽寄存器02000200～020F游戏控制口0210～0217扩展部件0218～02F7未用02F8～02FF异步通信卡（第二个）0320～032F硬盘适配器0330～0377并行打印机未用0300～031F实验卡0380～038F0390～03AF03B0～03BF03C0～03CF03D0～03DF03E0～03EF03F0～03F703F8～03FF03FF0378～037FSPLC通信未用单色显示器/打印机未用未用彩色/图形显示卡软盘适配器异步通信卡（第一个）Fig2-48086在最小模式下的典型配置8088/8086的I/O端口编址小结采用I/O独立编址方式(但地址线与存储器共用)地址线上的地址信号用IO/M来区分I/O操作只使用20根地址线中的16根：A15～A0可寻址的I/O端口数为64K(65536)个I/O地址范围为0～FFFFHIBMPC只使用了1024个I/O地址(0～3FFH)四、I/O地址的译码目的：确定端口的地址参加译码的信号：IOR，IOW，高位地址信号OUT指令将使总线的IOW信号有效IN指令将使总线的IOR信号有效I/O译码的地址信号当接口只有一个端口时，16位地址线一般应全部参与译码，译码输出直接选择该端口；当接口具有多个端口时，则16位地址线的高位参与译码（决定接口的基地址），而低位则用于确定要访问哪一个端口。I/O地址译码例某外设接口有4个端口，地址为2F0H——2F3H，由A15～A2译码得到，而A1、A0用来区分接口中的4个端口。试画该接口与系统的连接图。I/O地址译码例地址范围：–××××001011110000–××××001011110011任意状态A11片内地址图中不接入I/O地址译码例译码电路图：≥1A11A10A8A3A2A9A7A4┇&CEA1A0接口芯片7.3输入输出的控制方式无条件传送方式条件（查询）传送方式中断传送方式DMA方式一、程序传送方式由程序控制CPU与外设之间的数据交换。1)、无条件传送方式外设已准备好，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。选中地址数据写信号读信号输出端口图7.1无条件传送输入端口执行输入指令时,例:INAL，80H,RD信号有效,M/IO=0,输入三态缓冲器,被选通,已准备好的数据进入数据总线,送到AL.读信号有效M/IO有效80H例1：输入：INAL，80H；（80H）=10H将80H端口的内容送AL。IO/M=1，RD=0，AL=10H例2：输出：OUT82H，AL；AL=10H将AL中的内容送82H端口。IO/M=1，WR=0，（82H）=10H2、条件（查询）传送方式程序测试外设的状态，若满足，传送，不满足，等待。数据传送过程：1）、CPU从接口读取状态字;2）、CPU检测状态字的对应位是否满足“就绪”条件，如果不满足，回到第一步读取状态字；3）、如状态字表明外设已处于“就绪”状态，则传送数据。过程：输入操作的程序流程如图所示：对READY的状态查询，是通过读状态端口的相应位来实现的，输出的情况亦大致相同，这种传送控制方式的最大优点是，能够保证输入/输出数据的正确性。输入接口以输入设备将数据送入锁存，发选通信号开始，→READY＝1→CPU查询（读READY）→读数据→清除READY。输出接口CPU送数据至锁存器，发选通信号，→a。通知外设取数据；→b。BUSY→输出设备取完数据→ACK→清BUSY→CPU查询。例：假设从某输入设备上输入一组数据送缓冲区，若缓冲区已满则输出一组信息“BOFFEROVERFLOW”，然后结束。设该设备的启动地址为0FCH，数据端口为0F8H，状态端口为FAH程序如下：DATASEGMENTMESS1DB“BUFFEROVERFLOW”，“$”BUFFDB60DUP(?)DATAENDSCODESEGMENTASSUMECS：CODE，DS：DATASTART：MOVAX，DATAMOVDS，AXMOVBX，OFFSETBUFF；送缓冲区指针MOVCX，60；送计数初值OUT0FCH，ALWAIT：INAL，OFAH；查询状态，若为0TESTAL，01HJZWAITINAL，0F8HMOV[BX]，ALINCBXLOOPWAITMOVDX，OFFSETMESS1；缓冲区满，输出标志字符串MOVAH，09HINT21HMOVAH，4CHINT21HCODEENDSENDSTART优先级问题当CPU需对多个设备进行查询时，就出现了优先级问题，一般来讲，在这种情况下都是采用轮流查询的方式来解决，即先查询的设备具有较高的优先级。二、中断传送方式1.中断传送方式的原理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2)、专用硬件可编程中断控制器8259A。三、直接存储器存取方式（DMA）(DirectMemoryAccess)查询方式传送数据：查询时占用CPU时间中断方式传数据：比查询方式传送数据效率要高，但执行中断服务程序，CPU要保护断点、保护一些寄存器等操作，使CPU花费时间。DMA方式用专用接口电路直接和存储器进行数据传送。DMA的传送原理1、DMA控制器与其它接口电路的不同点：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。DMA的传送原理2、DMA的功能：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。