微机原理和接口技术第7章　输入输出系统概述.ppt

 输入输出（I/O）设备作为计算机系统的一个重要组成部分，能够实现计算机与外界之间的信息交换。各种外部信息，包括程序、数据等，都必须通过输入设备才能输入至计算机。而计算机内部的各种信息也只有通过输出设备才能实现显示和打印等控制动作。在微机系统中，CPU与外部设备交换信息是非常重要与频繁的操作，这种操作必须利用输入输出设备，并通过I/O接口（Interface）与系统相连来实现。这一章，我们将主要讨论I/O接口和系统中的数据传送机制，其内容包括：I/O接口、I/O端口寻址方式、CPU与外设之间的数据传送方式等。 7.1 接口的基本概念 在不同的微机系统中，为实现外部设备与微机系统的连接，人们使用了大量的输入输出设备，如键盘、鼠标、显示器、软/硬磁盘存储器等；在某些控制场合，还用到了模/数转换器、数/模转换器等。由于以上这些设备和装置的工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作速度等各不相同，其数据处理速度也各不相同，但都比CPU的处理速度要慢。所以，这些外部设备不能与CPU直接相连，而必须经过中间电路再与系统连接，这部分中间电路被称作I/O接口电路，简称I/O接口。也就是说，I/O接口是位于系统与外设间的、能够协助完成数据传送和传送控制任务的那部分电路。 7.1.1 I/O接口的功能  作为接口电路，通常必须为外部设备提供几个不同地址的寄存器，每个寄存器称为一个I/O端口。通常的I/O接口示意图如图7.1所示：I/O接口内部通常由数据、状态、控制三类寄存器组成，CPU可分别对数据、状态、控制三种端口（port）寻址，并与之交换信息。这三种端口被简称为数据口、状态口、控制口。   I/O接口示意图：  数据寄存器可分为输入缓冲寄存器和输出缓冲寄存器两种。在输入时，由输入缓冲寄存器保存外设发往CPU的数据；在输出时，由输出缓冲寄存器保存CPU发往外设的数据。有了输入/输出缓冲寄存器，就可以在高速工作的CPU与慢速工作的外设之间起协调与缓冲作用。　　状态寄存器主要用来保存外设现行的各种状态信息，从而让处理器了解数据传送过程中正在发生或最近已发生的状况。　　控制寄存器用来存放处理器发来的控制命令与其它信息，确定接口电路的工作方式和功能。　　以上三种寄存器是I/O接口电路中的核心部分，在较复杂的I/O接口电路中还包括有数据总线和地址总线缓冲器、端口地址译码器、内部控制器、对外联络控制逻辑等部分。 任何接口电路，均包括如下基本功能：1.数据缓冲2. 转换信息格式3. 提供联络信号，协调数据传送的状态信息。 如设备“就绪”、“忙”，数据缓冲器“满”、“空”等信号。 4. 协调定时差异。5. 进行译码选址。6. 实现电平转换。7. 具备时序控制。8. 可编程序。 7.1.2 CPU与I/O之间的接口信号　　CPU与I/O之间的接口信号通常包括数据、状态信息和控制信息等。1.数据 :数字量、模拟量和开关量等三种类型。2.状态信息:指示输入输出设备当前的状态。 当有输入时，主要查看输入设备是否准备好。若准备好，则状态信息为Ready； 当有输出时，看输出设备是否有空。若有空，则状态信息为Empty（闲）。若输出设备正在输出信息，则状态信息显示为Busy（忙）。3.控制信息:控制设备的启动与停止。　　数据、状态和控制信息作为CPU与I/O设备间的接口信号，必须分别传送。 7.2 I/O端口及其寻址方式　 外部设备与微处理器进行信息交换必须通过访问该外设相对应的端口来实现。具体访问这些外设端口的过程叫做寻址。端口的寻址方式通常有两种：存储器映像的I/O寻址方式和I/O端口单独寻址方式。 7.2.1 存储器映像的I/O寻址方式　　存储器映像的I/O寻址方式是将I/O端口地址与存储器地址统一分配，同等看待。也可以认为是在存储器中给I/O端口分配了一个存储器地址。像Motorola公司生产的MC6800/68000系列就采用了这种寻址方式。其寻址的连接方式如图所示。  优点是：端口寻址手段丰富，对其数据进行操作可与对存储器操作一样灵活。且不需要专门的I/O指令，这有利于I/O程序的设计。此外，这种I/O寻址方式还有两个优点：一是I/O寄存器数目与外设数目不受限制，而只受总存储容量的限制；二是读写控制逻辑比较简单。　　 缺点是:I/O端口要占用存储器的一部分地址空间，使可用的内存空间减少。 7.2.2 I/O端口单独寻址方式　　 I/O端口单独寻址方式是将I/O端口和存储器分开寻址，各自独立编地址。由于它们编址的独立性，微处理器需要提供两