6.1 输入输出

CPU 接口 电路 I/O 设备
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1、接口功能
I/O接口在它连接的CPU与I/O设备之间起信 息转换作用。应具备： ◆ 接口内有特定的硬件电路供CPU直接存取，称 为I/O端口； ◆ 接口应有地址译码功能； ◆ 接口可传送除基本信息（数据信息）外的各种 信息。
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2、接口传递的信息
从0333H状态端口 读入外设状态信息
D0=1, 外设准备好？
N
Y
将一字节数据送至 0333H数据端口
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当CPU需要对多个设备 进行操作时，则CPU按 一定顺序依次查询（轮 询）。所谓的优先级问 题。先查询的外设将优 先进行数据交换。 缺点： • 不能对设备进行实时 处理 •查询过程大大降低CPU 的效率 • 外设接口始终处于被 动状态
输入设备和输出设备统称为外设。 I/O接口电路：即I/O适配器。
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6.1.1 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
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


I/O接口的特点：通用性和可编程性

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4、直接存储器存取方式(DMA)
DMA（Direct Memory Access）意为直接 数据访问。它是在内存的不同区域之间，或 者在内存与外设端口之间直接进行数据传送， 而不经过CPU中转的一种数据传送方式，可以 大大提高数据的传送速度。
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(1)DMA方式与其它方式比较
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1.中断的定义
CPU在执行 主程序 程序中，被内部 或外部的事件所 打断，转去执行 中断请求 一段预先安排好 的中断服务程序； 断点 服务结束后，又 返回原来的断点， 继续执行原来的 程序.

优点：数据传输由DMA硬件来控制，数据 直接在内存和外设之间交换，可以达到很 高的传输速率（可达几MB/秒）
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(3)DMA传输的工作过程
由外设向DMAC 发出DMA请求 通过HOLD信号 线发出DMA请求 通过HLDA信号 发出DMA DMA 线发出DMA响应 应答信号 外 控 设 制 与内存传送数据 器 （在DMA控制器 通过HOLD信号 控制下） 线撤消DMA请求 使HLDA信号无效
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多种多样的外设

工作原理不同
机械、电子、机电、电磁……

传送信息类型多样
数字量、模拟量、开关量同
串行、并行

编码方式不同
二进制、BCD码、ASCII码……z
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6.1 概述
输入输出(I/O)设备是计算机系统的重要组 成部分，计算机通过它们与外界进行数据交换。 因I/O设备种类繁多，CPU并不与I/O设备直接 进行信息交流，而是通过I/O接口进行。I/O接 口是连接CPU和I/O设备之间的桥梁。
◆ I/O端口按字节（8位、16位）组织； ◆小系统中，I/O端口不超过256，可用8位地址编址；
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输入输出指令示例
【例】向300H端口输出一个字节
唯一的方法：间接寻址
mov al,n；n是字节变量 mov dx,300h out dx,al
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6.3 I/O的基本方式




8088只能通过输入输出指令与外设进行数据 交换；呈现给程序员的外设是端口（Port）， 即I/O地址 8088用于寻址外设端口的地址线为16条，端 口最多为216＝65536（64K）个，端口号为 0000H ~ FFFFH 地址线上的地址信号用 IO / M*来区分 每个端口用于传送一个字节的外设数据 IBM PC只使用了1024个I/O地址(0～3FFH)
⑴ 查询环节 寻址状态口 读取状态寄存器的标志位 若不就绪就继续查询，直至就绪
输入状态 N 就绪？ Y 数据交换
⑵ 传送环节 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
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【例6.2】P140 查询方式输出数据
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I/O端口单独编址

FFFFFH

优点： FFFFH I/O端口的地址空间独立 I/O 控制和地址译码电路相对简单 0 空间 专门的I/O指令使程序清晰易读 缺点： I/O指令没有存储器指令丰富
内存 空间

80x86采用I/O端口独立编址
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8088的I/O端口地址
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6.1.2 I/O接口的典型结构
I/O接口电路
数据总线DB 地址总线AB 控制总线CB
数据寄存器
状态寄存器 控制寄存器
数据 状态 控制
CPU
外设
××寄存器 —— 端口

三种信息：数据信息、状态信息、控制信息。 通过数据总线DB传输。
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1. 接口电路的内部结构
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特点


例：如图示，外设为8个发光二极管，与其相连的 I/O端口地址80H，欲使发光二极管全亮，执行指令： MOV AL, 0
OUT
DB
80H, AL
+5V I/O 接口 (80H)
CP U
CB
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…
AB
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无条件传送：实例

例6.1 P139
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I/O端口与存储器统一编址

优点：


不需要专门的I/O指令 I/O 数据存取与存储器数 据存取一样灵活
00000H

缺点：


I/O 端口要占去部分内存 空间 程序不易阅读（不易分 清访存和访问外设）
存 储 器 空 间 F0000H
FFFFFH
内存 部分
I/O 部分
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无条件传送 查询方式 中断方式
直接存储器存取（DMA）方式
( Direct Memory Access )
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1 无条件传送方式
实现方法


CPU不查询外设工作状态 与外设速度的匹配通过在软件上延时完成 程序中直接用I/O指令，完成数据传送 这种传送有前提：外设必须随时就绪 适合于简单设备 ，如开关 、发光二极管 、 LED数码管、 继电器、按键或按纽等设备。 无条件传送的接口和操作均十分简单
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2. 查询方式
实现方法： 在与外设进行传送数据前，CPU先查询外设状态，当 外设准备好后，才执行I/O指令，实现数据传送。 外设接口与外设有三种信息交换： （1）进行传送的数据（数据端口） （2）外设的控制信号（控制端口） （3）外设的状态信息（状态端口）
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查询传送的两个环节
第6章 输入输出技术
输入输出的基本方法 如何使两者高效、可靠地进行数据传送， 中断概念、中断响应过程 是本章讨论的问题。 8088中断系统、中断向量表

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—— CPU与外设的工作速度不一致，
6.1 概述
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
接口传递的基本信息是数据信息，除此之外，还 传递状态信息和控制信息。不同的信息用不同的I/O 端口区分。 数据信息：CPU与I/O设备传递的基本信息，包括数 字量、模拟量、开关量和脉冲量。 状态信息：反映I/O设备当前工作状态的信息，如输 出设备是否空闲，输入设备是否数据准备好等。 控制信息：CPU通过接口传递给I/O设备的信息，用 以控制I/O设备的工作，如启动、停止等。
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；(AL) ← (DX) ；(AL) ← (DX) ；(AH) ← (DX+1)
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（2）输出指令 直接寻址 OUT PORT , AL OUT PORT , AX
；(PORT) ← (AL) ；(PORT) ← (AL) ；(PORT+1) ← (AH)
间接寻址 OUT DX , AL ；(DX) ← (AL) OUT DX , AX ；(DX) ← (AL) ；(DX+1) ← (AH)
主要体现在引脚上，分成两侧信号 面向CPU一侧的信号：


用于与CPU连接 主要是数据、地址和控制信号
面向外设一侧的信号：


用于与外设连接 提供的信号五花八门 功能定义、时序及有效电平等差异较大
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6.2 I/O端口的编址
接口电路占用的I/O端口有两类编排形式


I/O端口与存储器统一编址 它们共享一个地址空间 如M6800 I/O端口单独编址 I/O地址空间独立于存储地址空间 如8086/8088
CPU通过不断查询外设状态，
实现与外设的速度匹配，
3、中断控制方式
CPU在启动外设开始某一操作之后，继续执行它本 身的程序。当外设数据准备就绪，向CPU提出请求， CPU在接到请求后暂时中断原来执行的程序，转去 待服务结束后又返回原程序继续执行。 主程序 中断服务程序 中断请求
主程序 中断服 务程序
1）I/O设备的功能多种多样； 2）I/O设备工作速度不同； 3）I/O设备处理的信号不同 (模拟或数字信号、 并行或串行) ； 4）I/O设备所需的控制信号不同。