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第五章数字量输入输出1


第5章 数字量输入输出

第5章 数字量输入输出
5.1概述
5.2 系统总线及接口 5.3 中断控制系统 5.4 计时定时接口 5.5并行输入输出接口

第5章 数字量输入输出

接口扮演的角色

胡锦涛会见美国务卿鲍威尔

第5章 数字量输入输出

接口扮演的角色
地址总线 AB 输 入 设 备 输 出 设 备 数据总线 DB 控制总线 CB

CPU

存 储 器

I/O 接 口

I/O 接 口

第5章 数字量输入输出

5.1 概述
5.1.1 I/O信号的形式
1、开关量

开关量可表示两个状态,如开关的断开和闭 合,机器的运转与停止,阀门的打开与关闭等。 开关量通常要经过相应的电平转换才能与计算 机连接。开关量只要用一位二进制数即可表示。

第5章 数字量输入输出

2、数字量 多位0和1按照一定规则组合表示的信 号称为数字量。例如,由键盘、显示器、 打印机及磁盘等I/O外设与 CPU交换的信 息,它们是以二进制形式表示的数或以 ASCII码表示的数符 3、脉冲量 4、模拟量 模拟量是指数值和时间上都能连续变化 的信号。如温度、压力、流量、位移、湿 度等,这些物理量先变成模拟电压或电流, 这些模拟量再经过A/D转换后才能输入计 算机。

第5章 数字量输入输出

第5章 数字量输入输出

5.1.2 I/O接口
? 1、I/O接口的功能
(1)信号形式的转换 (2)电平转换和放大 (3)锁存及缓冲 (4) I/O定向 (5)并行和串行I/O的转换

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I/O的内容分类
传送的信息主要有三种:
? 数据信息一般是数字量、模拟量、开关量等; ? 状态信息一般是输入设备是否准备好(“忙”, “就绪”),输出设备是否有空(“满”, “空”)等; ? 控制信息则是用于控制I/O设备的启动或停止等。

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3、I/O接口的构成
DB 数据端口 CPU AB 译 码

状态端口

I/O 设 备

CB
控制端口

图、 一个典型的I/O接口

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(1)端口
每个接口电路中都包含一组寄存器,一般称这些寄存器 为I/O端口(Port)。 正如每个存储单元都有一个物理地址一样,每个端口也 有一个地址与之相对应,该地址称为端口地址。

(2)端口的分类
按存放信息的不同,I/O端口可分为三种类型 数据端口:用于存放CPU与外设间传送的数据信息 状态端口:用于暂存外设的状态信息 控制端口:用于存放CPU对外设或接口的控制信息,
控制外设或接口的工作方式。

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5.1.3 I/O编址
微型计算机系统中I/O端口编址方式有两种: 1. 存储器映像编址 2. I/O端口单独编址

第5章 数字量输入输出 1.I/O端口与内存单元统一编址
0000H 整 个 地 址 空 间

存储器 XXXXH

(XXXX+1)H FFFFH

I/O 端口 I/O端口

优点:访问内存的指令同样都可用于访问I/O端口,因此无 需专门的I/O指令 缺点:由于I/O端口占用了一部分存储器地址空间,因而相 对减少了内存的地址可用范围

第5章 数字量输入输出 2.I/O端口与内存单元独立编址 在这种编址方式中,建立了两个地址空间,一个为内存地 址空间,一个为I/O地址空间。 80x86 CPU组成的微机系统都采 用独立编址方式
00000H

0000H 存储器 I/O 端口 I/O端口 FFFFH

FFFFFH

用MOV指令访问

用IN、OUT指令访问

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优点:专用的输入/输出指令与访问存储器指令有明显区别,

便于理解和检查,增大了内存的地址可用范围
缺点:专用I/O指令增加了指令系统复杂性,且I/O指令类

型少,程序设计灵活性较差

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5.1.4

I/O的控制方式
1、 直接传送方式

2、查询方式

3、 中断方式

4、 直接存储器存取(DMA)传送方式

第5章 数字量输入输出

1、 直接传送方式
? 微机系统中的一些简单的外设,如开关、继电器、数 码管、发光二极管等,在它们工作时,可以认为输入 设备已随时准备好向CPU提供数据,而输出设备也随时 准备好接收CPU送来的数据 ? 在这种方式下CPU对外设进行输入/输出操作时无需考 虑外设的状态,故称之为无条件传送方式。

优、缺点: 优点:使用方便,所需软硬件都很少 缺点:有时外设和CPU很难达到同步

第5章 数字量输入输出

第5章 数字量输入输出

第5章 数字量输入输出

2、查询方式
? 查询传送也称为条件传送,是指在执行输入指令 (IN)或输出指令(OUT)前,要先查询相应设备的 状态,当输入设备处于准备好状态,输出设备处 于空闲状态时,CPU才执行输入/输出指令与外设 交换信息。 ? 接口电路中既要有数据端口,还要有状态端口。
优、缺点: 优点:传送可靠 缺点:传送效率低

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3、 中断方式
? 中断传送方式是指当外设需要与CPU进行信息 交换时,由外设向CPU发出请求信号,使CPU暂 停正在执行的程序,转去执行数据的输入/输 出操作,数据传送结束后,CPU再继续执行被 暂停的程序。 ? 查询传送方式CPU处于主动地位,而外设处于 被动地位。中断传送方式则是由外设主动向 CPU发出请求,等候CPU处理,在没有发出请求 时,CPU和外设都可以独立进行各自的工作。

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4、 直接存储器存取(DMA)传送方式
? 中断方式由于需要通过 CPU执行程序来实现外 设与内存之间的信息传 送,会花费不少的时间; 同时每次中断需要花费 保护断点和现场的时间, 因此不适用于大批量的 数据高速传输,这对于 高速的I/O设备来说, 就显得太慢了。

OUT
内存

IN
CPU

OUT
外设

IN

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采用DMA方式,使CPU不参加数据传送,而是由DMA 控制器来实现设备之间的直接快速传送,这样不仅 减轻了CPU的负担,而且数据传送的速度上限就取 决于存储器的工作速度。 在DMA方式下,外设与内 存交换信息的控制权交给了DMA控制器,实质上是 在硬件控制下而不是CPU软件的控制下完成数据的 传输,大大提高了传输速率,这对大批量数据的高
速传送特别有用

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内存

DMA (存储器直接存取方式)

CPU

在存储器与外设之间建一 高速通路直接进行数据传 送,不经CPU,并且可一 次传送数据块,地址、字 节数的修改由硬件完成。
外设

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5.2 系统总线及接口
? 5.2.1 总线概述
总线(BUS)是多个电路传送信号的公共通 道,相当于PC内部的公路,如果这条路是八车 道高速公路的话,PC中各个部件的数据传输将 得到保证,从而系统整体性能将会有相应程度 的提高。反之,如果这条路是两车道乡间小路 的话,即使各个部件的性能再高,它们之间的 数据传输也会被总线所拖累,因此总线在PC中 的作用是相当重要的。

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1、总线的特性
和传统的电路连线相比,总线具有以下独 特的性能: (1)多信号源 (2)被分时使用 (3)由主设备控制

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2、总线的分级
(1)片内总线 (2)系统级总线 (3)设备级总线

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5.2.2 系统总线标准
? 三流公司卖人,二流公司卖产品,一流公司 卖技术,顶级公司卖标准 -标准很重要 ? 总线标准由有关厂家首先提出,规定总 线的接插件的几何尺寸、引脚排序、电 路信号名称及其电气特性等,成为实际 的工业标准,然后获得行业或国际标准 组织的批准 ? IO基本原理:CPU执行指令——产生总 线信号——作用于接口电路——最后接 到IO设备

第5章 数字量输入输出

计算机中使用的总线
1. PC/XT总线(8位) 2. ISA总线(16位)(Industry Standard Architecture, 工业标准体系结构总线 ) 3. EISA总线(32位)(Extended Industrial Standard Architecture,扩展工业标准结构总线 ) 4. MCA总线(16/32/64位)(Microchannel Interface Architecture,微通道接口体系结构总线 ) 5. VL局域总线(32位) 6. PCI总线(32/64位)(peripheral component interconnect,外部设备互连 ) 7. AGP总线(32/64位) ? 其中,PCI和AGP总线是目前最常用的总线,其它 总线目前已经被淘汰了。

第5章 数字量输入输出

PC系统总线发展

第5章 数字量输入输出

第5章 数字量输入输出

ISA网卡

第5章 数字量输入输出

AGP插槽

第5章 数字量输入输出

AGP显卡

第5章 数字量输入输出

今日之星——PCI Express
既然PCI不论是在内部传输带宽还是外 部设备连接上都已经不能满足需要,因 此更新换代当然是迫在眉睫的了。2002 年7月, PCI Express规范正式公布。作为 一种机箱内部总线技术,PCI-Express的 推出不仅标志着PCI总线将从PC中逐渐淡 出,而且其将目前主流PC中的PCI、AGP 和各种南北桥连接等总线标准统一了起 来。

第5章 数字量输入输出

第5章 数字量输入输出

1、PC/XT及ISA 总线

GND RESET +5V IRQ2 -5V DRQ2 -12V +12V GND MEMW MEMR IOW IOR DACK3 DRQ3 DACK1 DRQ1 DACK0 CLOCK IRQ7 IRQ6 IRQ5 IRQ4 IRQ3 DACK2 T/C ALE +5V OSC GND

I/O CH CK D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 I/O CH RDY AEN A19 A18 A17 A16 A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0

IBM PC/XT总线插槽引脚信号

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(1) 总线信号

? CLK:时钟信号输出,4.77MHz 1:3(一高两低) ? D7-D0 :8条双向数据线. ? A19~A0 :存储器接口卡插入时,A19~A0全部有效

? I/O接口卡插入时,A15~A0有效。
? ALE:高电平,地址输出有效,下降沿锁存 ?

IOR,IOW,MEMW,MEMR

? IRQ7~IRQ2:8259 ? AEN:DMA地址有效,输出 I/O地址译码用AEN=0封锁

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(2) 总线周期

? 指令周期、总线周期
? 地址、数据、控制信号间的配合(时序)

? 理解指令执行过程,设计接口
? 总线周期分为CPU驱动、DMAC驱动

第5章 数字量输入输出 存储器读总线周期

总线 周期 的开 始

第5章 数字量输入输出 存储器写总线周期

第5章 数字量输入输出

? IBM PC/XT 总线上I/O端口读周期
当CPU 执行 IN 指令时,进入I/O端口读周期,

从指定的端口读入数据到CPU中。
AB 地址 译码 数据 缓冲 控制 电路 I/O端口1

C
P U
DB


I/O端口2

CB

I/O端口3



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I/O端口读周期时序
T1
CLK A15~A0 ALE

T2

T3 Tw

T4

GND RESET +5V IRQ2 -5V DRQ2 -12V +12V GND MEMW MEMR IOW IOR DACK3 DRQ3 DACK1 DRQ1 DACK0 CLOCK IRQ7 IRQ6 IRQ5 IRQ4 IRQ3 DACK2 T/C ALE +5V OSC GND

D7 ~ D0
IOR

I/O CH CK D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 I/O CH RDY AEN A19 A18 A17 A16 A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0

IBM PC/XT总线插槽引脚信号



假设 端口218H的内容为7BH

MOV DX,218H IN AL, DX
T1
CLK A15~A0 ALE D7 ~ D0

T2

T3 Tw

T4

信号变化过程: ① A15~A0上出现地址信号 0000 0010 0001 1000B

① ②

(由CPU发出) ② ALE上出现正脉冲信号

③ IOR 变低,数据发送到系 统数据总线

④ ③



④ D7~D0 上出现有效信号 0111 1011B (由端口送出) ⑤ IOR变高,数据进入AL

IOR

? IBM PC/XT 总线上I/O端口写周期
当CPU 执行 OUT 指令时,进入I/O端口写周期, 将数据写入指定的端口。 AB 地址 译码 数据 缓冲 控制 电路

I/O端口1

C
P U
DB


I/O端口2

CB

I/O端口3



I/O端口写周期时序
T1
CLK A15~A0 ALE D7 ~ D0 IOW

T2

T3

Tw T4

GND RESET +5V IRQ2 -5V DRQ2 -12V +12V GND MEMW MEMR IOW IOR DACK3 DRQ3 DACK1 DRQ1 DACK0 CLOCK IRQ7 IRQ6 IRQ5 IRQ4 IRQ3 DACK2 T/C ALE +5V OSC GND

I/O CH CK D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 I/O CH RDY AEN A19 A18 A17 A16 A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0

IBM PC/XT总线插槽引脚信号

第5章 数字量输入输出



假设 (AL) = 92H
MOV OUT T1 T2 DX,319H DX,AL T3 Tw T4 信号变化过程: ① A15~A0上出现地址信号 0000 0011 0001 1001B (由CPU发出) ② ALE上出现正脉冲信号 ③ IOW 变低 ④ D7~D0 上出现有效信号 10010010B (由CPU送出) ⑤ IOW变高, 数据写入319H端口

CLK
A15~A0 ALE D7 ~ D0 IOW

第5章 数字量输入输出

5.2.3总线信号与接口的连接
? 数据信号的连接 ? 控制信号的连接(IOR、IOW和AEN) ? 地址信号的连接
? I/O地址空间采用分片管理的方法 芯片地址和片内地址合起来决定I/O空间的物理地址 ? 地址译码采用部分译码的方法 一般只用A9~A0,共210个物理地址

5.2 系统总线及接口

第5章 数字量输入输出 (1)PC/XT的IO端口地址分配

第5章 数字量输入输出 (2)PC/XT的IO端口地址译码

第5章 数字量输入输出

第5章 数字量输入输出

简单输入接口举例

MOV IN

DX,218H AL,DX
5.2 系统总线及接口

第5章 数字量输入输出

74LS244

第5章 数字量输入输出

PC总线
D7 ~ D0 数据 线 三 态 缓冲器

输入 设备

A15 地址线 ~ A0 IOR

地址 200H 译码 0 与 0 0 非

图中译码电路的作用:
只当A15~A0上出现200H时,

该电路在CPU执行指令 (即0000 0010 0000 0000B) MOV DX, 200H 输出0,其他输出1。 IN AL, DX 将输入设备的数据读入CPU内AL中



一个输入设备的简 单 接 口 电 路

第5章 数字量输入输出

简单输出接口举例

MOV OUT

DX,219H DX,AL

5.2 系统总线及接口

第5章 数字量输入输出



一个输出设备的简 单 接 口 电 路

PC总线 D7 数据线 ~ 锁存器 D0 A15 地址线 地址 300H ~ 译码 A0 0 与 0 0 IOW 非 该电路在CPU执行指令 MOV DX, 300H OUT DX, AL 将CPU内AL中的数据送至输出设备

输出 设备
图中译码电路的作用:

只当A15~A0上出现300H时,

(即0000 0011 0000 0000B)
输出0,其他输出1。

第5章 数字量输入输出

接口应用举例

第5章 数字量输入输出

接口应用举例
CS1 EQU 284H CS2 EQU 288H DELAYTIME EQU 3000 MOV DX,CS1 IN AL,DX MOV CX,DELAYTIME CHKS:MOV DX,CS0 IN AL,DX AND AL, 1 JZ DATIN LOOP CHKS …………… DATIN: MOV DX,CS1 IN AL,DX

第5章 数字量输入输出



分析下图74LS138各输出端的译码地址 (片选译码例)

A3 A4 A5 +5V A6 A7 A8 A9 AEN IOR IOW

0 0 0 1 0 &

A B C G1
G2A & G2B

Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7

74LS138 3-8译码器

端口译码电路
PC总线

第5章 数字量输入输出
A3 A4 A5 +5V A6 A7 A8 A9 AEN IOR IOW A B C G1 G2A & G2B Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7

0 0 0 1 0 &

200~207h 208~20Fh 210~217h 218~21Fh 220~227h 228~22Fh 230~237h 238~24Fh

74LS138 3-8译码器

端口译码电路
PC总线

第5章 数字量输入输出

第5章 数字量输入输出

休息!休息一下!!


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