第6章 常用输入输出及中断技术

1第6章输入输出及中断技术2主要内容：基本I/O概念简单接口芯片及其应用基本输入输出方法中断的基本概念及工作过程中断控制器82593§6.1输入输出接口主要内容：输入\输出与接口电路I/O接口与I/O端口的概念I/O端口的编址方式端口地址译码数据传送方式4输入\输出与接口电路输入/输出：输入/输出是指计算机与外部设备之间的信息交换，常见的外部设备包括：显示器、键盘、打印机等。I/O接口电路(接口)：一般情况下，一种外部设备与微机连接需要一组逻辑电路，用来将外设连接到总线上,实现外设与主机之间的信息交换。5I/O端口与端口地址I/O端口：通常把接口电路中CPU可以访问的每一个寄存器称为I/O端口。I/O端口地址：由于微机系统板中有若干接口电路，每一接口电路中又有若干I/O端口，为便于CPU的访问，系统为每一个I/O端口都赋予一个地址，称为I/O端口地址。6I/O端口地址空间I/O地址空间：微机的全部I/O端口地址在一个独立的、不同于主机内存的地址空间中编址，称为I/O地址空间。CPU对外部设备的输入、输出操作实际上是通过接口电路中的I/O端口实现的。7I/O接口要解决的问题速度匹配(Buffer)信号的驱动能力(电平转换器、驱动器)信号形式和电平的匹配(A/D、D/A)信息格式(字节流、块、数据包、帧)时序匹配(定时关系)总线隔离(三态门)8接口的功能数据的缓冲与暂存信号电平与类型的转换增加信号的驱动能力对外设进行监测、控制与管理，中断处理9二、I/O端口的编址方式数据端口状态端口控制端口端口10I/O端口CPU数据状态控制外设11I/O端口的编址方式统一编址独立编址12端口与内存的统一编址特点：指令及控制信号统一内存地址资源减少内存地址960KBI/O地址64KB00000HF0000HFFFFFH13端口的独立编址特点：内存地址资源充分利用能够应用于端口的指令较少内存地址I/O地址00000HFFFFFHFFFFH0000H14端口的独立编址8088总线A19-A0A15-A0MEMR、MEMWIOR、IOW、AEN存储器输入/输出158088/8086的I/O端口编址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)16三、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，A15～A0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17I/O地址的译码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。18I/O地址的译码某外设接口有4个端口，地址为2F0H～2F3H，则其基地址为2F0H，由A15～A2译码得到，而A1、A0用来确定4个端口中的某一个。连接？19四、I/O数据的传送方式并行一个数据单位同时传送串行数据按位传送20§6.2简单接口电路掌握：接口电路的分类及特点；两类简单接口芯片的应用21一、接口的基本构成数据线控制线状态线DBCBAB数据输入寄存器(or三态门)数据输出寄存器(锁存器)状态寄存器(or三态门)命令寄存器译码电路控制逻辑22接口的基本构成数据输入/输出寄存器——暂存输入/输出的数据命令寄存器——存放控制命令，用来设定接口功能、工作参数和工作方式。状态寄存器——保存外设当前状态，以供CPU读取。23接口的基本构成CPUI/O接口外设数据端口地址控制数据状态控制24二、接口的类型及特点输入接口输出接口接口25接口特点输入接口：要求对数据具有控制能力（常用三态门实现）输出接口：要求对数据具有锁存能力（常用锁存器实现）26三、三态门接口高电平、低电平、高阻态27三态门接口三态门的工作波形：A0~A15IOR译码输出D0~D7开关状态地址有效2874LS244含8个三态门的集成电路芯片在外设具有数据保持能力时用来输入接口74LS244应用例见教材29三态门接口应用例利用三态门作为输入接口（接口地址380H）接到地址范围为70000H----71FFFH的EEPROM芯片的READY/BUSY端，当三态门输出高电平时，可向98C64A写入一个字节数据，输出低电平时则不能写入。画芯片与系统的连接图30三态门接口应用例D0~D7A0A12•••WEOEREADY/BUSY•••A0A12MEMWMEMR高位地址信号D0~D7D0380HCE译码IOR31四、锁存器接口通常由D触发器构成；特点：具有对数据的锁存能力；不具备对数据的控制能力32常用锁存器芯片74LS273不具备数据的控制能力，74LS273是一种带清除功能的8D触发器74LS373具有对数据的控制能力333474LS245三态缓冲器示意图当OE=0时：DIR0，ABDIR=1，BA当OE=1时：输出高阻。A0A1A2A3A4A5A6A7OEDIRB0B1B2B3B4B5B6B774LS245=数据缓冲器3574LS244三态缓冲器示意图A0A1A2A3A4A5A6A71OEY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y774LS244当nOE=0时：YA当nOE=1时：输出高阻。2OE数据缓冲器36A0A1A2A3A4A5A6A7OEDIRB0B1B2B3B4B5B6B774LS245数据总线输入设备IOR片选I/O端口的读操作控制电路和缓冲器37MRCPDXQX0XX011110074LS273CPMRD0D1D2D3D4D5D6D7Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q774LS273的示意图和真值表数据锁存器38D0D1D2D3D4D5D6D7Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q774LS373LFOEXO00XOX1XXZD0D1D2D3D4D5D6D7Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q774LS373LFOEOELFDXQX0111010000XQX1XXZ74LS373的示意图和真值表数据锁存器39图6.374LS374引线图和真值表40锁存器芯片74LS374D0~D7Q0Q7...OECP译码器D0~D7Q0Q7...OECP译码器做输出口:做输入口:外设自外设41I/O接口综合应用例根据开关状态在7段数码管上显示数字或符号设输出接口的地址为F0H设输入接口地址为F1H当开关的状态分别为0000～1111时，在7段数码管上对应显示’0’～’F’4243符号形状7段码.gfedcba符号形状7段码.gfedcba’0’00111111’8’01111111’1’00000110’9’01100111’2’01011011’A’01110111’3’01001111’B’01111100’4’01100110’C’00111001’5’01101101’D’01011110’6’01111101’E’01111001’7’00000111’F’0111000144O1I1O2I2O3I3O4I4E1K0～K3+5VGG2AG2BCBA≥174LS244D0Q0|Q1D7Q2Q3Q4CPQ5Q6Q7abcdefgDP7406反相器74LS273Rx8≥174LS138D0～D7IOW#IOR#Y0Y1F0H=0000000011110000F1H=0000000011110001&≥1A7～A4A15～A8A3A2A1A0D0D1D2D3译码器45I/O接口综合应用例程序段……Seg7DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,67H,77H,7CH,39H,5EH,79H,71H……LEABX,Seg7MOVAH,0GO:MOVDX,0F1HINAL,DXANDAL,0FHMOVSI,AXMOVAL,［BX+SI］MOVDX,0F0HOUTDX,ALJMPGO4647§6.3基本输入/输出方法无条件传送查询式传送中断方式传送直接存储器存取(DMA)48一、无条件传送适用于总是处于准备好状态的外设优点：软件及接口硬件简单缺点：只适用于简单外设，适应范围较窄49无条件传送例读取开关的状态；当开关闭合时，输出编码使发光二极管亮50DCPQD0D1输出口地址38F3H输入口地址38F0H+5V151二、查询工作方式适用场合：外设并不总是准备好对传送速率和效率要求不高对外设及接口的要求：外设应提供设备状态信息接口应具备状态端口52查询工作方式优点：软件比较简单缺点：CPU效率低，数据传送的实时性差，速度较慢单一外设时的工作流程53超时?READY?与外设进行数据交换超时错读入并测试外设状态YNYN传送完？防止死循环复位计时器NY54查询工作方式例外设状态端口地址为03FBH，第5位(bit5)为状态标志（=1忙，=0准备好）外设数据端口地址为03F8H，写入数据会使状态标志置1；外设把数据读走后又把它置0。试画出其电路图，并将DATA下100B数输出55D5D7-D0A9|A3≥1&A15|A10≥1IOWD7-D03F8H外设D7D6D5D4D3D2D1D0BUSYCPQ7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0状态端口GG2AG2BCBAA2A1A074LS138Y0≥1IORY3OE74LS3743FBH程序段？56三、中断控制方式特点：外设在需要时向CPU提出请求，CPU再去为它服务。服务结束后或在外设不需要时，CPU可执行自己的程序优点：CPU效率高，实时性好，速度快。缺点：程序编制较为复杂。57以上三种I/O方式的共性均需CPU作为中介：软件：外设与内存之间的数据传送是通过CPU执行程序来完成的（PIO方式）；硬件：I/O接口和存储器的读写控制信号、地址信号都是由CPU发出的。缺点：程序的执行速度限定了传送的最大速度（约为几十KB/秒）58四、DMA控制方式特点：外设直接与存储器进行数据交换，CPU不再担当数据传输的中介者；总线由DMA控制器（DMAC）进行控制（CPU要放弃总线控制权），内存/外设的地址和读写控制信号均由DMAC提供。59DMA控制方式DMAC外设接口CPUQRDMEMDACKHOLDHLDA…BUS控制信号60DMA控制方式的工作过程外设向DMA控制器发出“DMA传送请求”信号DRQ；DMA控制器收到请求后，向CPU发出“总线请求”信号HOLD；CPU在完成当前总线周期后会立即发出HLDA信号，对HOLD信号进行响应；DMA控制器收到HLDA信号后，就开始控制总线，并向外设发出DMA响应信号DACK61DMA控制方式的工作过程DMA控制器送出地址信号和相应的控制信号，实现外设与内存或内存与内存之间的直接数据传送；例：从外设向内存传送一个字节DMAC向I/O接口发出读信号，同时往地址总线上发出存储器的地址和存储器写信号和AEN信号。62DMA控制方式的工作过程DMA控制器自动修改地址和字节计数器，并判断是否需要重复传送操作。当规定的数据传送完后，DMA控制器就撤销发往CPU的HOLD信号。CPU检测到HOLD失效后，紧接着撤销HLDA信号，并在下一时钟周期重新开始控制总线。63DMA的三种传送方式连续传送（块传送）：DMAC在申请到总线后，将一块数据传送完后才释放总线，而不管中间DREQ是否有效。单次传送（每次传送一个字节）：每个DMA周期只传送一个字节就立即释放总线。按需传送（猝发传送）：只要I/O接口的数据缓冲可用，就可进行传送。此时I/O接口需要有一定大小的FIFO缓冲区。64数据块传送：YN允许DMADMA请求？DMAC请求总线CPU响应,DMAC获总线控制权DMA传送一个字节块结束？地址增量，计数器减量DMAC释放总线YN65每次传送一个字节：N