IO传送方式_图文.ppt

I/O 简介
IO设备简介
• I/O设备：打印机，鼠标，键盘，显示器， 扫描仪等等
IO简介
• I/O 接口简单来说是负责cpu与外界设备交 互的界面 • 原始数据通过接口由输入设备送进去 • 运算结果通过接口由输出设备送出来 • 控制命令通过接口发出去 • 现场数据通过接口从输入设备送进去
IO的数据传输方式
中断传送
• 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
DMA 传送方式
• 不需要CPU干预，在专门硬件控制电路之 下进行的外设与存储器之间的数据传送 • 接受IO接口的DMA请求，向CPU发出总线 请求信号，CPU响应以后接管对总线控制 进入DMA传送过程，传送结束后释放控制 权给CPU。
• • • • • • • • •
IO指令 ：IN ，OUT 直接寻址： in al,port out port,al 范围0-FF 间接寻址： mov dx,port in al,dx mov dx,port out dx,al 范围0-FFFF
• • • • 1.无条件传送方式 2.条件传送方式 3.中断传送方式 4.直接存储器存取（DMA）传送方式
无条件传送方式
• 外设已准备好，不查询外设的状态 • 直接使用IN或者OUT指令进行数据传输 • 一般对简单的外围设备
条件传送方式
• CPU会查询外设是否准备好 • 准备好进行数据传输 • 否则继续查询等待状态
IO的编址
• IO 的编址方式分为两种：独立编址（IO mapped IO）和统一编址（memo：64K的8位端口空间， 两个连续的8位可以作为一个16位的端口， 4个连续8位可以作为一个32位端口处理 • IO端口的寻址方式： • 直接寻址：使用一个字节数寻址，范围0FF 256个byte • 间接寻址：用DX间接给出地址空间从而达 到64K的寻址范围

查询设备状态标志值的方法有三种： 1．每个设备对应一个状态端口（实际 只有一位，是一个状态触发器），CPU查询 一个设备的状态标志，经判断作出相应的 I/O处理后，再查询、判断、处理下一个设 备。
2．把各个设备的状态标志位集中起来 ，用一个统一的专用状态端口来存放，CPU 一次读取后就可对所有设备的当前标志进行 测试、判断和进入相应处理。 上述两种方法的设备优先级都是由查询 的顺序决定的。
#include <dos.h>; #include <stdio.h>; main ( ) { int i; outportb(0x303,0x89); outportb(0x300,0x55); outportb(0x301,0xAA); i = inputb(0x302); return ; }
处理办法：堆栈指针永远指向堆栈。
3.2.3 DMA控制方式
DMA控制方式的概念： 即直接存储器存取方式，它采用一个 专用的硬件电路DMA控制器（在PC机的主 板上）来控制内存与外设之间的数据交换， 无需CPU介入，从而大大提高了CPU的工 作效率。
DMA控制方式的输入接口电路示意图
DMA控制方式的数据交换过程
开关的闭合与 断开，指示灯的亮 与灭，继电器或接 触器的吸合与释放， 马达的启动与停止， 阀门的打开与关闭 等
开关量输入、输出接口分别如图3-6、图3-7所示
图3-6开关量输入接口
图3-7开关量输出接口
思考：为什么要有输入缓冲器和输出锁存器？
由前可以看出，由缓冲器担当了输入接口，由锁存 器担当了输出接口，此外，常用数字量输入输出接口还 有可编程并行I/O扩展接口。
3.2.2 中断控制方式 中断控制方式的优点: 不仅省去了CPU查询外设状态和等待外 设准备就绪所花费的时间，提高了CPU的工 作效率，而且还满足了外设的实时性要求。

© 2004 TCL Digital Electronic SBU
IEEE-1394的端口图
IEEE-1394端口、6针电缆和4针电缆
© 2004 TCL Digital Electronic SBU
5、IDE
主板IDE接口
IDE是Integrated Device Electronics的简称，是一种硬盘的传输接 口，它有另一个名称叫做ATA（AT Attachment），这两个名词都有厂商在 用，指的是相同的东西。IDE的规格后来有所进步，而推出了EIDE （Enhanced IDE）的规格名称，而这个规格同时又被称为Fast ATA。所不 同的是Fast ATA是专指硬盘接口，而EIDE还制定了连接光盘等非硬盘产品 的标准。而这个连接非硬盘类的IDE标准，又称为ATAPI接口。而之后再推 出更快的接口，名称都只剩下ATA的字样，像是Ultra ATA、ATA/66、 ATA/100等。
© 2004 TCL Digital Electronic SBU
3、 USB 接口
USB 是英文 Universal Serial Bus 的缩写，中文含义是 “ 通用串行 总线 ” 。它不是一种新的总线标准，而是应用在 PC 领域的新型接口技术。 USB 使用一个 4 针插头作为标准插头。通过这个标准插头，采用菊花链 形式可把所有的外设连接起来，并且不会损失带宽。 USB 标准中将 USB 分 为五个部分：控制器、控制器驱动程序、 USB 芯片驱动程序、 USB 设备以 及针对不同 USB 设备的客户驱动程序。 USB 需要主机硬件、操作系统和外 设三个方面的支持才能工作。目前主板一般都采用支持 USB 功能的控制芯 片组，而且也安装了 USB 接口插槽。 Windows 98 及以上版本的操作系统 都内置了对 USB 接口的支持 ( 但 Windows NT 尚不支持 USB) 。目前已经 有数码相机、数字音箱、扫描仪、键盘、鼠标等很多 USB 外设问世。 随着大量支持 USB 的个人电脑的普及， USB 逐步成为 PC 机的标准接口 已经是大势所趋。最新推出的 PC 机几乎 100% 支持 USB ，另一方面使用 USB 接口的设备也在以惊人的速度发展。目前我们使用的是 USB1.1 标准的 接口，它的传输速度为 12Mbps 。

适用于连接打印机等需要高速数 据传输的设备，传输速率较快。
USB接口（Universal Serial Bus）
适用于连接各种外部设备，具有 高速传输、热插拔等特点。
总线接口的定义和作用
总线接口定义
总线接口是计算机内部各个模块之间传输数据和控制信号的物理接口。
总线接口作用
总线接口实现了计算机内部各个模块之间的协同工作，提供了数据传输和通信的基础。
实现计算机内部模块之间的 数据传输和通信。
4 常见的总线接口类型
ISA总线、PCI总线、USB总线等。
5 IO端口与总线接口的关系
相互依赖，实现计算机的输入输出系统。
IO端口的功能和作用
1 输入功能
2 输出功能
IO端口能够接收外部设备传输的数据，并将其输 入到计算机中进行处理。
IO端口能够将计算机处理的数据输出到外部设备， 实现与外界的信息交互。
常见的IO端口类型和特点
串口（Serial Port）
适用于连接低速外部设备，传输 速率较慢但稳定可靠。
并口（Parallel Port）
常见的总线适用于早期的个人电脑，已
PCI总线
2
逐渐被更快速的接口所取代。
传输速率较快，广泛用于现代计算机中，提
供高速数据传输和多设备连接功能。
3
USB总线
热插拔、高速传输的通用接口，适用于各种 外部设备的连接。
IO端口与总线接口的关系
1 连接关系
2 互相依赖
IO端口通过总线接口与计算机内部的各个模块相 连，实现数据传输和协同工作。
IO端口和总线接口相互依赖，共同构成计算机的 输入输出系统，实现信息的交互和控制。
总结和要点
1 IO端口的功能和作用

三态输出功能
2. 程序查询式控制
拓展一：多外设的处理？
当系统中有 多个I/O设 备时，该如 何处理？
2. 程序查询式控制
拓展二：基于双MPU的单向数据传输接口硬件结构
&
M
P U AB
1
DB
Di
地 址 Pd 译 码 Ps
三态缓冲 器(8位)
READY
三态缓冲 器(1位)
IOR
&
输入接口 IBF
数据 锁 存器
2. 程序查询式控成制批数据输入，
如何处理？
➢ 输入接口
数
据 输 入选 设通 备
数据 锁存
>R DQ
+5V 准备就绪 触发器
&
Pd
三态缓冲
DDBB
器(8位) Di
地
READY
址
三态缓冲
译 AB
器(1位)
码
Ps
&
IOR
N MPU
输入状态信息
数据就绪？ Y
输入数据
状态位复位
(a) 硬件结构
(b) 工作流程
4. DMA传输式控制
DMA控制器（DMAC）
DMA方式使用一种称之为DMA控制器 （DMAC)的专用处理器硬件来完成I/O与存储器 之间的高速数据传送控制。它有主控和受控两种 方式：主控方式下,DMAC具有三大总线的控制能力， 可以独立访问存储器与I/O端口；受控方式下，它 相当于一个标准的I/O接口。
通道2
通道3 数据链接 寄存器
DMARQ1 DACK1
DMARQ2 DACK2 DMARQ3 DACK3
4. DMA传输式控制
DMAC同步控制方式的优缺点：

◦ 数据传输率等于所连接外设中速度最高的外设速率
A1 A2 …
B1 B2 …
通道 A1 A2 … B1 B2 … C1 C2 …
C1 C2 …
图6.16 选择通道传送方式示意图
（3）数组多路通道
◦ 综合前两种通道的优点，可连接多台高速设备，允许几 台设备并行工作，以成组交叉方式传送。每个外设都有 数据缓冲区。
硬件中断（硬中断）：是一个异步信号，表明需要注意、 或需要改变执行一个同步事件。
软件中断（软中断）：是利用硬件中断的概念，用软件方 式进行模拟，实现宏观上的异步执行效果。
外部中断：一般是指由计算机外设发出的中断请求，如： 键盘中断、打印机中断、定时器中断等。外部中断是可以 屏蔽的中断。
内部中断：是指因硬件出错（如突然掉电、奇偶校验错等） 或运算出错（除数为零、运算溢出、单步中断等）所引起 的中断。内部中断是不可屏蔽的中断。
主存
…
12H JMP 200 向量地址 13H JMP 300
14H JMP 400
入口地址 200 打印机服务程序
入口地址 300 显示器服务程序
… ……
图6.10 通过向量地址寻找入口地址
图6.12 链式排队线路和设备编码器
直接存储器访问方式(Direct Memory Access，DMA)， 是一种直接依靠硬件在主存与I/O设备间进行数据传送，且 在 数 据 传 送 过 程 中 不 需 CPU 干 预 的 I/O 数 据 传 送 控 制 方 式 。 CPU与接口的数据传送的具体过程由硬件（DMA Controller， DMAC，DMA控制器）完成，传送速度比通过CPU快。 （1）CPU暂停方式 （2）周期挪用方式（周期窃取方式） （3）交替访问内存方式

a
5.3 I/O同步控制方式
1.程序查询式控制 1）特点：I/O操作总是由MPU通过程序查询外设
的状态来启动，即总是MPU主动，I/O被动。
2）硬件接口结构
① 输入接口
数
据 锁存
输
器
入 设 备
选 通
>R
DQ +5V
准备就绪
触发器
三态缓冲 器(8位)
三态缓冲 器(1位)
(a)硬件结构
& Pd
Di
R(状EA态DY 信息)
任意两个相邻的8位端口可构成一个16位端口；4个 相邻的8位端口可构成一个32位端口。
（16、32位端口的对准、不对准问题）
实际的80X86系统中只用A9～A0这十根地址线对 I/O寻址，即只使用了1K字节的I/O空间。
对这1K字节的I/O地址空间大都按AT系统的技术 标准作了分配。
a
5.2.3 80486的I/O端口编址方式
的不同，通常可分为四种：
微处理器 MPU
用户交互接口
随机存储器RAM 只读存储器ROM 电源
内务操作接口OOI 传感接口SI
AB DB CB
控制接口CI
打印机
控制台及 显示终端
软磁盘驱动器
传感器
蒸汽调节阀
下节
a
5.1.2 接口分类
1.用户交互接口(UII)
这类接口是指微机接收来自用户的信息(数 据或命令)或向用户发送信息所需要的接口电路。
其主要任务是完成信息表示方法的转换和 数据传输速率的转换。
这类接口是任何应用系统不可缺少的。
back
a
5.1.2 接口分类
2.内务操作接口(OOI)
这类接口是使微处理器能发挥最基本的处理 和控制功能所必需的接口电路。

（1） 无条件传送方式
当采用无条件方式传送数据时，外设必须准备好，CPU不检 查外设状态。这种传送方式亦称同步传送，如下图所示。
例如：要求某数据采集系统每秒钟定时采样某点的温度信号24次。温度传 感器将温度信号转换成电信号，经过A/D转换器转变为数字量送入输入端 口。当CPU读取端口时端口中的温度数字量已“准备好”。若端口地址为 40H，每分钟采样144次，定时可采用软件延时程序DELAY或硬件定时器/ 计数器完成。相应的采集程序如下：
输出数据，执行输出指令，否则CPU需查询等待。
相应的汇编语言程序为：
LOOP2: IN AL, STATUS_PORT ;读状态端口，D0 =1表示“空闲”
TEST AL, 01H ;判断“空闲”位
JZ LOOP2 ;忙，再读状态端口循环等待 MOV
AL, DATA ;满足条件，取数据准备输出
OUT DATA_PORT, AL ;将数据输出至数据端口输出
3、I/O端口的编址方法
在微机系统中往往有多个I/O接口芯片，每个I/O接口有多个 端口。必须对这些I/O端口确定地址，方便CPU访问；编址的方 法有两种：存储器与I/O端口统一编址（存储器映像编址）、独 立编址(I/O端口单独编址)。
（1）存储器与I/O端口统一编址
将内存的一部分地址分配给I/O端口，一个8位端口占用一 个内存单元地址。用访问存储器的指令访问I/O端口，已经用 于I/O端口的地址，存储器不能再使用。
START： MOV CL，90H MOV BX，2000H
LOOPA： IN AL，40H MOV [BX]，AL INC BX CALL DELAY DEC CL JNZ LOOPA HLT
；置采集次数 ；置存放温度值首地址 ；取温度值 ；存入内存 ；修改内存偏移地址 ；调用延时子程序 ；修改采集次数 ；未采完返回LOOP继续