第4章输入输出技术.ppt
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1、2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,1,第4章 输入输出技术,1概 述,一、微机接口及接口技术 计算机系统要解决的一个重要问题是主机与外部世界进行通信或实现数据交换,即输入与输出的问题。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,2,主机与外界之间的通信是通过外围设备(简称外设)来进行的。输入与输出设备是计算机系统的重要组成部分。程序、原始数据和各种现场采集到的数据、信息都要通过输入设备输入至主机,而计算的结果或各种控制信号要输出给各种输出设备,以便显示、打印和实现各种控制功能。,第4章 输入输出技术,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,3,第4章 输入输出技术,几个概
2、念: 输入/输出:计算机通过外围设备同外部世界通信或交换数据称为“输入/输出”。 外设接口电路(外设接口):在微型计算机系统中,常用的外围设备有:键盘、鼠标、硬磁盘机,软驱、光盘机、打印机、显示器、MODE、D/A转换器、A/D转换器、扫描仪、及一些专用设备。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,4,第4章 输入输出技术,把外围设备同计算机连接起来实现数据传送的控制电路称为“外围接口电路”,简称“外设接口”。如图所示:从图可看出,接口分两类:存储器接口和I/O接口;其位置:介于系统总线与外部设备之间。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,5,第4章 输入输出技术,I/O接口
3、与I/O设备: 不同I/O设备对应I/O接口不同。 I/O接口受CPU控制,I/O设备受I/O接口控制。 为增加通用性,I/O接口的接口电路一般均具有可编程功能。微机的应用离不开与外部设备接口的设计、选用和连接。 微机接口技术是编程人员的一项基本技能。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,6,第4章 输入输出技术,输入与输出的操作过程类似于存储器的存取操作。原则上CPU可以采用访问存储器的方式与外设交换数据,但是在实际操作中,外围设备要考虑的问题比访问存储器复杂得多。存储器通常是在与CPU同步的控制方式下工作的,并且内存采用半导体器件,其相应的控制比较简单,与CPU的匹配和定时较易实
4、现。而外设种类繁多,控制复杂。CPU与外设相连时,不能直接用总线相连,而是要通过相应的电路来连接。这是因为CPU与外设之间存在很大的差异,不能匹配。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,7,第4章 输入输出技术,一、计算机与外设之间的信息交换应解决的问题 外围设备的品种繁多,有机械式的,电子式的、磁电式的、及光电式的等等;外围设备需处理的信息也有多种多样,有数字信号、模拟信号、开关信号、电压信号、电流信号等等;从工作速度上看,有的速度慢,有的速度快,不同的外设处理信息的速度相差悬殊;,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,8,第4章 输入输出技术,另外,微型计算机与不同的外围
5、设备之间所传送的信息的格式和电平高低等也是多种多样的。这就形成了外设接口电路的多样性和复杂性。 根据外设的多样性和复杂性,计算机与外设之间的信息交换应解决的问题如下:,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,9,第4章 输入输出技术,速度不匹配 信号电平不匹配 信号格式不匹配 信号时序不匹配,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,10,因此输入与输出设备不能直接与CPU的系统总线相连,必须在CPU与外设之间设置专门的接口电路来解决这些问题。,第4章 输入输出技术,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,11,第4章 输入输出技术,二、I/O接口应具有的功能(解决的方案) 1
6、 设置数据缓冲器以解决两者速度差异所带来的不协调问题 由于微处理机与输入/输出设备处理数据的速度不同,定时的标准也不同,二者又需进行信息交换,所以在接口上尚需设置对所传送的数据提供缓冲、隔离以及寄存的功能。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,12,第4章 输入输出技术,具体说来,就是在输出接口中设置寄存器或锁存器,用以暂时存放CPU欲输出的数据,然后再由输出设备根据自身的情况,将暂时存放的欲输出的数据进行适时输出处理。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,13,第4章 输入输出技术,输入: 输入设备数据线 三态缓冲器 DB CPU 输出: CPU DB 锁存器 输出设备数
7、据线,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,14,第4章 输入输出技术,2设置信号电平转换电路以解决两者之间信号电平的不一致问题。 由于微处理机的总线信号与输入/输出设备的控制信号之间存在着差异,无法进行相匹配的操作,需要在两种信号之间进行转换。像CPU的信号与输入/输出设备信号之间的逻辑关系、时序关系以及电平之间的关系均需转换。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,15,第4章 输入输出技术,否则高速的CPU系统与低速的输入/输出设备之间是无法沟通的。例如:在串行通信中,常采用MC1488,MC1489等芯片实现电平转换。 3设置信息转换逻辑以满足对各自信号格式的要求。 例
8、如:A/D转换,D/A转换,串/并转换,并/串转换等。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,16,第4章 输入输出技术,4设置时序控制电路以同步CPU和外设的工作。 接口电路接收CPU送来的命令或控制字,实施对外设的控制和管理;外设的工作状态和应答信号也通过接口及时返回给CPU(设备就绪,忙,缓冲器满,空),保证CPU与外设工作实现同步。常用的状态信号有正忙和准备就绪。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,17,第4章 输入输出技术,5提供地址译码电路。 在微处理机系统通常都配备有多个或多种外围设备,这样就会有多个输入/输出接口,像为键盘、鼠标、打印机、显示器、磁盘等诸输入
9、/输出设备均配备有各自接口,且为它们分配了各自的地址码。通过接口中的地址译码电路对外围设备输入/输出地址寻址。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,18,第4章 输入输出技术,6校验和检查:在微处理机系统中,通常为输入/输出接口配备有校验功能,并且可以将出错信息报告给微处理机。像外围设备机构中的机械和电路故障,就要向微处理机报告故障的类型和位置。若数据在传送中的错误就用奇偶校验码进行校验。如若USB在传送过程中出现错误则要用到容错功能,发送设备会重复发送数据直至正确为止。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,19,第4章 输入输出技术,7最好可编程应用:对一些通用的,功能齐
10、全的接口电路,应该具有可编程的功能,所谓可编程就是用软件来选择接口电路的某些功 能,以适应具体工作的需求。这也是现代接口电路的发展方向。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,20,第4章 输入输出技术,综上所述,接口的主要功能是执行命令、提供状态、管理中断、协调交换和变换信息格式。这些功能并不是所有接口必须具备的功能。根据系统的不同配置和用途,其接口的功能和工作方式有所不同,应视具体系统的要求而定。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,21,第4章 输入输出技术,三、接口与端口 一个典型接口电路的内部结构框图如图4-1所示,从图41可见:,图41 基本外设接口,2019年4
11、月16日星期二,西北师大物电学院,22,第4章 输入输出技术,输入/输出接口好像是CPU与外围设备之间进行信息传送的一个“连接部件”。输入/输出接口通过CPU的数据总线、地址总线和控制总线与CPU相连接,数据信息通过数据端口、控制信息通过控制端口和状态端口与外围设备连接,外围设备与CPU交换的信息就是数据信息、状态信息和控制信息。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,23,第4章 输入输出技术,“外设接口”是“CPU”与“外设”之间传递信息的控制电路。 外设接口一边通过CPU的三总线(或微机总线)同CPU连接,一边通过三种信息数据信息、控制信息和状态信息同外设连接。CPU通过外设接口
12、同外设之间交换的信息就是这三种信息。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,24,第4章 输入输出技术,数据信息可以有数字量、模拟量和开关量三种类型。 数字量是以二进制码形式提供的信息。通常是8位、16位和32位数据。 开关量是用2个状态表示的信息。只用一位二进制码表示。 模拟量是指由传感器等提供的由物理量转换成的相应的连续变化的电信号。模拟量必须先经模/数(A/D)转换器转换为数字量后,再输入CPU进行处理。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,25,第4章 输入输出技术,数据端口的作用是,在外围设备与CPU之间进行信息交换时,用来存放欲交换数据的一种缓冲寄存器,当程序执行
13、到需要CPU加工处理来自外围设备的数据时,数据端口中存放的就是外围设备发给CPU的数据。而当程序执行到需要CPU将加工处理后的数据发送给外围设备时,数据端口中存放的就是欲通过外围设备输出的数据。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,26,第4章 输入输出技术,状态信息指的是外围设备当前的工作状态,像正忙(BUSY)信号,准备就绪(READY)信号等。 控制信息是指用于控制外围设备接口工作方式和外围设备启动或停止信息,通常是由CPU 发出各种控制信息。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,27,第4章 输入输出技术,数据信息、状态信息和控制信息通常都以数据形式通过CPU的数据
14、总线(或微机总线)同CPU进行传送的,这些信息分别存放在外设接口的不同类型的寄存器中。CPU同外设之间的信息传送实质上是对这些寄存器进行“读”或“写”操作。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,28,第4章 输入输出技术,“接口”中这些可以由CPU进行读或写的寄存器被称为“端口”(Port)。这些端口可分为“数据口”、“状态口”与“控制口”。分别存放数据信息、状态信息和控制信息。CPU通过访问这些端口来了解外设的状态,控制外设的工作,以及同外设之间进行数据传输。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,29,第4章 输入输出技术,四、基本的I/O操作技术 基本的I/O操作技术有
15、三种,它们分别是: (1)利用程序设计技术进行I/O操作:它是在程序的直接、连续地控制之下所进行的I/O操作。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,30,第4章 输入输出技术,(2)利用中断驱动实施I/O操作:在程序发出了I/O命令之后,继续进行I/O操作,只有当遇到I/O硬件中断,才被告之I/O操作已经结束。 (3)直接存储器存取DMA技术:这一技术是用一个指定的I/O处理器来替代I/O操作控制,在I/O设备和存储器之间可以进行直接的大批量的数据传送操作。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,31,第4章 输入输出技术,五、I/O端口的编址方式 I/O端口的编址方式有两种
16、:独立编址与存储器映象编址(统一编址)。 1独立编址(专用的I/O端口编址) 独立编址方式的硬件结构及地址空间分配如图4-1-1所示,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,32,第4章 输入输出技术,这种编址方式的特点是存储器和I/O端口在两个独立的地址空间中,I/O端口的读、写操作由硬件信号 和 来实现,访问I/O端口用专用的IN指令和OUT指令。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,33,第4章 输入输出技术,对内存的操作: 对端口操作 MOV MEM,AL OUT DISP MOV DL,BX IN AL,DISP,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,34,第
17、4章 输入输出技术,独立编址方式的优点: I/O端口的地址码较短(一般比同一系统中存储单元的地址码短); 译码电路比较简单,存储器同I/O端口的操作指令不同,程序比较清晰; 存储器和I/O端口的控制结构相互独立,可以分别设计。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,35,第4章 输入输出技术,独立编址方式的缺点 需要有专用的I/O指令,而这些I/O指令的功能一般不如存储器访问指令丰富,程序设计灵活性较差。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,36,第4章 输入输出技术,2存储器映象编址(统一编址) 存储器映象编址(统一编址)方式的硬件结构及地址空间分配如图4-1-2所示,,图
18、412,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,37,第4章 输入输出技术,这种编址方式的特点是存储器和I/O端口共用统一的地址空间;一旦地址空间分配给I/O端口后,存储器就不能再占有这一部分的地址空间,例如整个空间为1M,地址范围为00000HFFFFFH,如果I/O端口占有00000H0FFFFH这64K个地址,那么存储器的地址空间只有从10000HFFFFFH的960K个地址。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,38,第4章 输入输出技术,在这种编址方式下,I/O端口的读写操作同样由硬件信号 和 来实现,访问I/O端口同样用MOV指令。同时,所有访问存储器的指令(包括存
19、储器的算术、逻辑运算指令)都可用于I/O端口。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,39,第4章 输入输出技术,存储器映象编址的优点: 任何对存储器数据的指令都可用于I/O端口的数据操作,不需专用I/O指令,从而使系统编程比较灵活; 存储器映象编址的缺点: I/O占用了一部分内存空间,且指令的机器码也长,执行时间较长。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,40,第4章 输入输出技术,六、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,2019年4月16日星期二,西北
20、师大物电学院,41,第4章 输入输出技术,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。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,42,第4章 输入输出技术,七、简单的输入/输出接口芯片 1.芯片功能简介 在外设接口电路中,经常需要对传输过程中的信息进行放大、隔离以及锁存,能实现上述功能的接口芯片最简单的就是缓冲器、数据收发器和锁存器。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,43,第4章 输入输出技术,锁存器74LS373 锁存器具有暂存数据的
21、能力,能在数据传输过程中将数据锁住,在此后的任何时刻,在输出控制信号的作用下将数据传送出去。 74LS373是一种常用的8D锁存器,它可以直接挂到总线上,并具有三态总线驱动能力。其逻辑电路及引脚图如图413所示。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,44,第4章 输入输出技术,74LS373的锁存器功能从表4-1可见。,H为高电平,L为低电平,Q0为原状态,Z为高阻抗,为任意值。,74LS373锁存器主要用于锁存地址信息、数据信息以及DMA页面地址信息等。常用的锁存器还有74LS273,573,Intel 8282和8283等,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,45,第4
22、章 输入输出技术,在应用中,可根据实际需要设置74LS373的控制信号。例如,希望先输入数据,在以后适当的时刻再输出,可对G和OE分别进行控制;如果只需要使用它的记忆功能,不需要三态缓冲,可直接把OE端接地,仅控制G。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,46,第4章 输入输出技术,缓冲器74LS244和74LS245 连接在总线上的缓冲器都具有三态输出能力,当CPU或I/O接口电路需要输入/输出数据时,在它的使能控制端EN(或G)作用一个低电平脉冲,使其内部的各缓冲单元接通,即处在输出0或1的透明状态,数据就会被送入总线。当使能脉冲撤除后,缓冲器处于高阻态。这时,各缓冲单元就像一个
23、断开的开关,相当于将它所连接的电路从总线上脱开。74LS244和74LS245就是最常用的数据缓冲器。缓冲器除具有缓冲作用外,还能提高总线的驱动能力。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,47,第4章 输入输出技术,74LS244是一种8路数据缓冲器,其逻辑电路引脚图如图414所示。,当把该缓冲器用于8位数据总线时,可将 1G和2G端连在一起,由一个片选信号来控制。74LS244常用来构成外设输入数据端口,这时它的输入端A与外设数据线相连,而输出端Y并接在CPU的数据总线上。74LS244是一种单向数据缓冲器,数据只能从A端传送到Y端,若要进行双向数据传送,可选用双向数据总线缓冲器7
24、4LS245。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,48,第4章 输入输出技术,数据收发器74LS245 74LS245逻辑电路及引脚图如图415所示。,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,49,第4章 输入输出技术,芯片的功能见表4-2通常用于数据的双向传送、缓冲和驱动。,常用的数据收发器还有74LS243、Intel 8286、Intel 8287等,2019年4月16日星期二,西北师大物电学院,50,第4章 输入输出技术,2 输入/输出传送控制方式 在微型计算机中,有四种基本的输入/输出方法,它们是:无条件传送方式、查询传送方式、中断方式、DMA(直接存储器存取)方式
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