第6章輸入/輸出接口

7/29/20231本章要點I/O接口概述I/O端口及其編址方式CPU與I/O接口之間的數據交換方式輸入/輸出接口芯片7/29/20232>>微機原理<<6.1I/O接口概述微型計算機廣泛應用于過程控制信息處理數據通信計算機各種外設可靠地進行信息交換關鍵輸入/輸出接口7/29/20233>>微機原理<<6.1I/O接口概述計算機硬件系統組成中央處理器內存儲器輸入/輸出設備接口電路通用微型計算機的硬件系統由中央處理器(CPU)、內存儲器(RAM和ROM)、輸入/輸出設備(I/O設備)及其接口電路組成。7/29/20234>>微機原理<<6.1I/O接口概述計算機接口的位置和概念7/29/20235>>微機原理<<6.1I/O接口概述1.I/O接口的基本功能

I/O設備是用來實現人機交互的機電設備。按工作方式可分為機械式、電子式和光學式等；按工作速度可分為高速的和低速的；按信號類型可以是數字量、模擬量(電壓或電流信號)或開關量等。7/29/20236>>微機原理<<6.1I/O接口概述 為了協調CPU與外設之間的這些矛盾，I/O接口應具備以下功能：1.數據緩沖功能2.信號轉換功能3.端口選擇功能4.接收和執行CPU命令的功能5.中斷管理功能6.可編程功能7/29/20237>>微機原理<<6.1I/O接口概述2.I/O接口的基本組成 把數據緩沖/鎖存器、讀/寫/中斷控制邏輯、端口地址譯碼、數據端口、控制端口和狀態端口等電路組合起來，就構成了一個簡單的I/O接口電路。 它一方面與地址總線、數據總線和控制總線相連接，另一方面又與外部設備相連。7/29/20238>>微機原理<<6.1I/O接口概述I/O接口的基本結構7/29/20239>>微機原理<<(1).CPU和I/O設備之間交換的信息有數據信息、和狀態信息.控制信息

數據信息-------數字量,模擬量和開關量

狀態信息-------外設所處的狀態,由I/O口將狀息送往CPU

控制信息-------CPU通過I/O送往外設,控制外設的信息7/29/202310>>微機原理<<(2).I/O接口基本結構

數據接口、和狀態接口.控制接口地址譯碼端口：地址譯碼是I/O接口的基本功能之一，譯碼電路收到與本接口有關的地址后產生相應的選通信號，對相關端口進行數據、命令或狀態的傳輸，完成一次I/O操作數據緩沖/鎖存器：在CPU與I/O設備之間進行輸入/輸出操作時，輸入需要緩沖，輸出需要鎖存。7/29/202311>>微機原理<<

6.2I/O端口及內存的編址方式7/29/202312>>微機原理<<6.2 I/O端口及其編址方式 計算機系統通過一組總線來連接系統的各個功能部件，包括CPU、內存和I/O端口，各功能部件之間的信息交換通過總線來進行，如何區分不同內存單元和I/O端口，是輸入/輸出編址方式所要討論和解決的問題。7/29/202313>>微機原理<<6.2 I/O端口及其編址方式

CPU與I/O接口進行通信是通過I/O接口內部的一組寄存器實現的，這些寄存器稱為I/O端口。

CPU通過數據端口從外設讀入數據或向外設輸出數據，通過狀態端口讀入設備當前的狀態，通過控制端口向外設發出控制命令。I/O端口數據端口狀態端口控制端口7/29/202314>>微機原理<<6.2 I/O端口及其編址方式 根據計算機系統的不同，輸入/輸出端口的編址方式通常有兩種形式：一種是I/O端口與內存統一編址；另一種是I/O端口與內存獨立編址。I/O端口與內存統一編址I/O端口與內存獨立編址I/O端口編址方式7/29/202315>>微機原理<<6.2 I/O端口及其編址方式1.I/O端口與內存統一編址 這種編址方式又稱為存儲器映射編址方式，是從存儲器空間劃出一部分地址給I/O端口，即把每個I/O端口當作一個存儲單元，I/O端口與內存單元被安排在同一個地址空間中，CPU與外設的數據交換，相當于對存儲器的讀/寫操作，不設置專門的I/O指令。

7/29/202316>>微機原理<<6.2 I/O端口及其編址方式I/O端口與內存單元統一編址示意圖統一編址內存I/O端口7/29/202317>>微機原理<<6.2 I/O端口及其編址方式2.I/O端口與內存獨立編址

這種編址方式稱為I/O映射編址方式，內存和I/O端口有各自獨立的地址空間。 以8086/8088為例，訪問內存儲器使用20根地址線A0~A19，內存地址范圍00000H~FFFFFH，總共可尋址220=1M

而訪問I/O端口時使用低16根地址線A0~A15，I/O端口的地址范圍為0000H~FFFFH，總共可尋址216=64K個8位端口。7/29/202318>>微機原理<<6.2 I/O端口及其編址方式I/O端口與內存單元獨立編址示意圖獨立編址內存單元I/O端口7/29/202319>>微機原理<<

6.3CPU與I/O接口之間的數據交換方式7/29/202320>>微機原理<<6.3CPU與I/O接口之間的數據交換方式

CPU與各種不同的外設進行數據傳送，采用不同的控制方式，概括起來有以下幾種方式：程序控制方式、中斷方式和DMA方式。數據交換方式程序控制方式中斷方式DMA方式7/29/202321>>微機原理<<6.3CPU與I/O接口之間的數據交換方式1.程序控制方式 程序控制方式是指在程序控制下進行數據傳送，又分為無條件傳送和條件傳送。

7/29/202322>>微機原理<<6.3CPU與I/O接口之間的數據交換方式無條件傳送外設總被認為已處于準備就緒或準備接收狀態，程序不必查詢外設的狀態，當需要與之交換數據時，直接執行輸入、輸出指令，就開始發送或接收數據條件傳送在傳送數據之前，CPU要執行查詢程序去查詢外設的當前狀態，只有當外設處于準備就緒(輸入設備)或空閑狀態(輸出設備)時，才執行輸入或輸出指令進行數據傳送，否則，CPU循環等待，直到外設準備就緒為止7/29/202323>>微機原理<<6.3CPU與I/O接口之間的數據交換方式2.中斷方式 雖然查詢方式比無條件傳送要可靠，但在查詢方式中，CPU處于主動地位，它要不斷地讀取狀態字來檢測外設狀態，CPU效率很低，特別是當系統中有多個外設時，外設的工作速度各不相同，顯然，CPU不能及時滿足外設提出的輸入/輸出服務的要求，實時性較差。7/29/202324>>微機原理<<6.3CPU與I/O接口之間的數據交換方式 為了提高CPU的利用率和使系統具有較好的實時性，可采用中斷傳送方式。改CPU的主動查詢為被動響應中斷方式的特點7/29/202325>>微機原理<<6.3CPU與I/O接口之間的數據交換方式輸入設備準備好數據或輸出設備處于空閑時向CPU發出中斷申請信號，請求CPU為它們服務(輸出數據或從接口讀取數據)CPU暫時中斷當前正在執行的程序(即主程序)轉去執行為輸入/輸出設備服務的中斷處理程序

123服務完畢，CPU返回到被中斷的程序處繼續執行

7/29/202326>>微機原理<<7/29/202327>>微機原理<<6.3CPU與I/O接口之間的數據交換方式3.DMA方式 采用中斷控制方式，每傳送一個數據，CPU就要執行一次中斷操作，CPU要暫停當前程序的執行，轉去執行相應的中斷服務程序，而執行中斷服務程序的前后以及執行過程中，要做很多輔助操作，如保護現場，保護斷點，返回前要恢復現場和恢復斷點。7/29/202328>>微機原理<<6.3CPU與I/O接口之間的數據交換方式 中斷方式對于高速外設不能滿足傳送速率上的要求。提出了一種新的傳送控制方法DMA方式

7/29/202329>>微機原理<<6.3CPU與I/O接口之間的數據交換方式DMA方式的基本思路是外設與內存間的數據傳送不經過CPU，傳送過程也不需要CPU干預，在外設和內存間開設直接通道由一個專門的硬件控制電路來直接控制外設與內存間的數據交換。從而提高傳送速度和CPU的效率，CPU僅在傳送前后及傳送結束后花很少的時間做一些善后處理。這種方法就是直接存儲器存取方式，簡稱DMA方式7/29/202330>>微機原理<<6.3CPU與I/O接口之間的數據交換方式DMA控制器的工作模式單字節傳送模式請求傳送模式級聯傳送模式成批傳送模式7/29/202331>>微機原理<<6.3CPU與I/O接口之間的數據交換方式DMA操作過程準備階段DMA控制器接受CPU對其進行初始化。設置存儲器的地址、傳送的數據字節數，工作模式和傳送方向以及對相關的各接口電路初始化設置數據傳送階段傳送結束階段DMA控制器在傳送完成后向CPU發出結束信號，以便CPU撤消總線允許信號收回總線控制權。7/29/202332>>微機原理<<

小結：

1.掌握I/O接口的基本概念及基本功能

2.I/O接口和內存的兩種編址方式特點及應用；

3.數據傳送方式的三種模式的特點及應用重點掌握中斷傳送方式的應用及傳送工作原理。作業：

P2011.一3題

2.CPU與I/O接口之間數據傳送方式有哪三種？為什么說中斷方式是應用最廣泛的一種方式？7/29/202333>>微機原理<<

6.4

輸入/輸出接口芯片7/29/202334>>微機原理<<1.I/O接口芯片及不可編程簡單I/O接口定義2.不可編程簡單I/O接口定義3.串行和并行接口定義7/29/202335>>微機原理<<6.4輸入/輸出接口芯片幾種常用的輸入/輸出接口芯片從功能和速度分類74XXX—標準TTL74LSXXX—低功耗肖特基型TTL74LXXX—低功耗TTL74SXXX—肖特基型TTL74ALSXXX—高性能型TTL74FXXX—高速型TTL7/29/202336>>微機原理<<緩沖器(線驅動器)74LS2441.外特性(輸出分/1G與1Y1~1Y4;/2G與1Y1~1Y4)2.真值表輸入輸出/GAYLLLLHHH×Z7/29/202337>>微機原理<<6.4輸入/輸出接口芯片緩沖器(三態)74LS244輸入輸出/GAYLLLLHHH×Z1.引腳圖2.真值表7/29/202338>>微機原理<<6.4輸入/輸出接口芯片總線收發器(三態)74LS245引腳圖真值表/G(/OE)DIR操作LLBtoALHAtoBH×隔離控制端使能端7/29/202339>>微機原理<<

輸出TTL芯片7/29/202340>>微機原理<<6.4輸入/輸出接口芯片1.鎖存器74LS373(8D觸發器)引腳圖真值表輸出允許輸入輸出/OCCDQLHHHLHLLLL×Q0H××Z7/29/202341>>微機原理<<6.4輸入/輸出接口芯片2.鎖存器74LS374(8D)引腳圖真值表輸入時鐘輸出/OCCLKDQL↑HHL↑LLLL×Q0H××Z輸出允許7/29/202342>>微機原理<<6.4輸入/輸出接口芯片3.帶總清的鎖存器74LS273引腳圖真值表輸入輸出CLEARCLKDQL××LH↑HHH↑LLHL×Q0總清端7/29/202343>>微機原理<<6.4輸入/輸出接口芯片4.帶允許輸出的鎖存器(8D)74LS377引腳圖真值表輸入輸出/GCLKDQH××Q0L↑HHL↑LL×L×Q0不變高電平低電平7/29/202344>>微機原理<<

6.5小型案例分析7/29/202345>>微機原理<<6.5小型案例分析

(1)74LS244、74LS245、74LS373在微型計算機系統中的應用(為什么引用)

1).數據總線的分離及驅動在8086系統中，CPU的地址／數據和地址／狀態總線是分時復用，必須在CPU總線和系統總線之間加入相應的電路，實現地址和數據總線的分離及驅動；

2).CPU的相應操作同時要求在加入相應的電路后CPU仍能進行常規的存儲器讀寫，I/O讀寫、中斷響應、總線請求響應(HL