微機(jī)原理與接口技術(shù)教案19

微機(jī)原理課19講教案主講人課題輸入輸出方式目的任務(wù)1、外設(shè)接口的編址方式2、輸入輸出指令3、CPU與外設(shè)間數(shù)據(jù)傳遞方式重點(diǎn)難點(diǎn)1、輸入輸出指令的常用形式2、查詢(xún)、中斷和直接存儲(chǔ)器存取方式的區(qū)別教學(xué)方法講授使用教具傳統(tǒng)教學(xué)法（粉筆和黑板）提問(wèn)、作業(yè)備課時(shí)間上課時(shí)間審批教研室主任（簽字）：年月日抽查系主任（簽字）：年月日5.1輸入輸出方式輸入/輸出是計(jì)算機(jī)與外部世界進(jìn)行信息交換不可缺少的手段，在整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中占有極其重要的地位。如果沒(méi)有輸入、輸出，計(jì)算機(jī)將變得毫無(wú)意義，因此輸入輸出的設(shè)備是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分。在微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，除了CPU和內(nèi)存以外，其它設(shè)備都可以認(rèn)為是輸入輸出設(shè)備。5.1.1外設(shè)接口的編址方式1．外設(shè)接口由于外部設(shè)備種類(lèi)繁多，功能各不相同，控制的方法各式各樣，要求輸入或輸出的信號(hào)形式、電平、速率也千差萬(wàn)別，所以在微機(jī)系統(tǒng)中，各種輸入/輸出設(shè)備無(wú)法直接連接在總線上與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，需要在系統(tǒng)總線與外設(shè)之間設(shè)置一個(gè)“適配器”，又稱(chēng)為“接口”的電路板，用于把CPU的控制命令轉(zhuǎn)換成外設(shè)的控制信號(hào)，把外設(shè)的工作情況轉(zhuǎn)換成CPU可以讀取并處理的狀態(tài)信號(hào)。把外圍設(shè)備同微型計(jì)算機(jī)連接起來(lái)的電路稱(chēng)為外設(shè)接口電路，簡(jiǎn)稱(chēng)外設(shè)接口。接口部件擔(dān)負(fù)著總線信號(hào)與外設(shè)信號(hào)的轉(zhuǎn)接工作。它一頭與外設(shè)相連，能夠從外設(shè)接收數(shù)據(jù)或向外設(shè)發(fā)出信號(hào)，另一頭連接在系統(tǒng)總線上，能夠直接接收來(lái)自總線的數(shù)據(jù)和控制信號(hào)或者往總線發(fā)送數(shù)據(jù)。2．編址方式由于內(nèi)存和外設(shè)端口都是以字節(jié)為基本的數(shù)據(jù)單位。當(dāng)總線上出現(xiàn)有效的地址信號(hào)時(shí)，每個(gè)字節(jié)型內(nèi)存儲(chǔ)器或外設(shè)端口都能夠根據(jù)地址信號(hào)，判斷自己是否被選中成為數(shù)據(jù)傳遞的對(duì)象（完成這種判斷的是地址譯碼器），沒(méi)有被選中的則不參與本次總線上的數(shù)據(jù)傳遞。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中對(duì)外設(shè)的編址方式有兩種：統(tǒng)一編址和獨(dú)立編址。統(tǒng)一編址方式的優(yōu)點(diǎn)是：任何對(duì)內(nèi)存數(shù)據(jù)進(jìn)行操作的指令都可用于I/O端口的數(shù)據(jù)操作，不需要專(zhuān)門(mén)的I/O指令，系統(tǒng)編程比較靈活；I/O端口的地址空間是一部分內(nèi)存空間，可大可小，外設(shè)的數(shù)目幾乎不受限制。它的缺點(diǎn)是：I/O端口占用了一部分內(nèi)存空間，使內(nèi)存空間減少；訪問(wèn)I/O端口同訪問(wèn)內(nèi)存一樣，由于訪問(wèn)內(nèi)存的地址長(zhǎng)，指令的機(jī)器碼也長(zhǎng)，執(zhí)行時(shí)間顯然增加。獨(dú)立編址的優(yōu)點(diǎn)是：I/O端口的地址碼一般比同一系統(tǒng)中存儲(chǔ)單元的地址碼短，譯碼電路較簡(jiǎn)單；內(nèi)存同I/O端口的操作指令不同，程序比較清晰；內(nèi)存和I/O端口的控制電路結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立，可以分別設(shè)計(jì)。它的缺點(diǎn)是：需要專(zhuān)門(mén)的I/O指令，這些I/O指令一般沒(méi)有內(nèi)存訪問(wèn)指令豐富，所以程序設(shè)計(jì)的靈活性較差。5.1.2輸入輸出指令8086/8088系統(tǒng)設(shè)計(jì)有兩條專(zhuān)用指令：IN和OUT。1．IN指令格式： INAL，DX ；字節(jié)輸入INAX，DX ；字輸入操作： （AL）←[（DX）] ;（字節(jié)操作） （AX）←[（DX）+1，（DX）] ;（字操作）當(dāng)端口號(hào)碼超過(guò)8位時(shí)，必須先把端口號(hào)碼放在DX寄存器中，即通過(guò)DX間接尋址。2．OUT指令格式：OUTDX，AL ；字節(jié)輸出OUTDX，AX ；字輸出操作：[（DX）]←（AL）（字節(jié)） ;（字節(jié)操作） [（DX）+1，（DX）]←（AX）（字） ;（字操作）當(dāng)端口號(hào)碼超過(guò)8位時(shí)，必須先把端口號(hào)碼放在DX寄存器中，即通過(guò)DX間接尋址。一般情況下，我們只使用8位的指令，即： INAL,DX OUTDX,AL在8086/8088系統(tǒng)中，外設(shè)端口號(hào)的有效范圍是0000H~0FFFFH，共64K個(gè)端口號(hào)。這個(gè)地址空間比實(shí)際需要要大很多，在16位PC機(jī)中，僅用A9～A0十條地址線表示I/O端口，所以DX間接尋址的范圍為0～1023(即0～3FFH)，共1024個(gè)端口號(hào)（Intel系列高檔微機(jī)使用全部的端口號(hào)）。各個(gè)端口號(hào)中安排的具體外部設(shè)備繁雜，這里不再一一列舉，有興趣的讀者可以查閱有關(guān)資料。5.1.3CPU與外設(shè)間數(shù)據(jù)傳遞方式外部設(shè)備是多種多樣的，不同的設(shè)備需要不同的控制方法。對(duì)于那些慢速的外設(shè)而言，如果CPU傳送來(lái)的數(shù)據(jù)速度太快，外設(shè)來(lái)不及處理，就可能造成數(shù)據(jù)的丟失；如果外設(shè)還沒(méi)有準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，CPU就已經(jīng)發(fā)出了讀操作命令，將讀不到正確的數(shù)據(jù)。因此，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)外數(shù)據(jù)交換時(shí)，必須根據(jù)外設(shè)的特點(diǎn)采用適當(dāng)?shù)姆绞健?．無(wú)條件方式這種方式在傳送信息時(shí)，已知外設(shè)是準(zhǔn)備好的狀態(tài)，所以輸入輸出時(shí)都不需要查詢(xún)外設(shè)的狀態(tài)。可直接用IN和OUT指令完成與接口之間的數(shù)據(jù)傳送。但這種方式必須確保外設(shè)已經(jīng)準(zhǔn)備好時(shí)才可使用，否則就會(huì)出錯(cuò)，故很少使用。采用無(wú)條件傳送方式的接口電路如（教材）圖5-3所示。當(dāng)進(jìn)行輸入時(shí)，由于數(shù)據(jù)保持時(shí)間比CPU的處理時(shí)間長(zhǎng)，輸入端必須用輸入緩沖器與CPU的數(shù)據(jù)總線相連。當(dāng)進(jìn)行輸出時(shí)，由于CPU送出數(shù)據(jù)的有效時(shí)間很短，而外設(shè)速度較慢，需要較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)保持時(shí)間，要求接口有鎖存功能，即CPU送給外設(shè)的數(shù)據(jù)應(yīng)該在接口中保持一段時(shí)間。2．查詢(xún)方式當(dāng)CPU與外設(shè)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞時(shí)，很難保證CPU在執(zhí)行輸入操作時(shí)，外設(shè)一定是“準(zhǔn)備好”的；而在執(zhí)行輸出操作時(shí)，外設(shè)一定是“空閑”的。為保證數(shù)據(jù)傳送的正確進(jìn)行，CPU必須在數(shù)據(jù)傳送之前對(duì)外設(shè)的狀態(tài)進(jìn)行查詢(xún)，確認(rèn)外設(shè)已經(jīng)滿(mǎn)足了傳送數(shù)據(jù)的條件后再與外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，否則一直處于查詢(xún)等待狀態(tài)，這就是查詢(xún)方式。使用查詢(xún)方式工作的外設(shè)必須至少有兩個(gè)部件，其中之一是狀態(tài)部件。CPU每一次與外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換之前，先從狀態(tài)部件讀取信息，判斷外設(shè)是否處于“就緒”（Ready）狀態(tài)。如果來(lái)自外設(shè)的狀態(tài)信息反映出外設(shè)“沒(méi)有準(zhǔn)備好”或正“忙”（Busy），說(shuō)明還不能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞；反之，當(dāng)CPU檢測(cè)到外設(shè)已準(zhǔn)備好（Ready）后，才可以與外設(shè)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳遞。（1）查詢(xún)方式輸入（教材）圖5-4所示為查詢(xún)方式輸入的接口電路，該電路有兩個(gè)端口寄存器，即狀態(tài)口寄存器和數(shù)據(jù)口寄存器。當(dāng)輸入設(shè)備準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)之后，發(fā)出選通信號(hào)。它一方面把輸入數(shù)據(jù)鎖存到數(shù)據(jù)鎖存器中，另一方面使?fàn)顟B(tài)標(biāo)志觸發(fā)器置1。狀態(tài)標(biāo)志是一位信號(hào)，通過(guò)緩沖器后，接到CPU數(shù)據(jù)總線的某一位上，假設(shè)接至D7位。CPU先讀狀態(tài)口，查詢(xún)D7是否為1。若D7=1，表示輸入數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，再讀數(shù)據(jù)口，取走輸入數(shù)據(jù)，同時(shí)使?fàn)顟B(tài)標(biāo)志觸發(fā)器復(fù)位。（教材）圖5-5所示為查詢(xún)方式輸入數(shù)據(jù)的程序流程圖。查詢(xún)方式輸入的程序段如下：SCAN: INAL，狀態(tài)口地址 TESTAL，80H JZSCAN INAL，數(shù)據(jù)口地址（2）查詢(xún)方式輸出（教材）圖5-6所示為查詢(xún)式輸出接口電路，它的狀態(tài)口和數(shù)據(jù)口合用一個(gè)地址。當(dāng)輸出設(shè)備空閑時(shí)，狀態(tài)標(biāo)志觸發(fā)器清0。CPU在輸出數(shù)據(jù)之前，先讀取狀態(tài)信息。假設(shè)忙閑標(biāo)志接至數(shù)據(jù)線D0位，當(dāng)D0=0時(shí)，表示輸出設(shè)備空閑，CPU再對(duì)數(shù)據(jù)口執(zhí)行輸出指令。數(shù)據(jù)口選中信號(hào)一方面把輸出數(shù)據(jù)寫(xiě)入鎖存器，另一方面使?fàn)顟B(tài)標(biāo)志觸發(fā)器置1，通知輸出設(shè)備取數(shù)。當(dāng)輸出設(shè)備取走當(dāng)前數(shù)據(jù)后，向接口發(fā)出確認(rèn)信號(hào)ACK，使?fàn)顟B(tài)標(biāo)志觸發(fā)器清0，表示輸出設(shè)備空閑，可以接收下一個(gè)數(shù)據(jù)。查詢(xún)方式輸出數(shù)據(jù)的程序流程圖（教材）如5-7所示，程序段如下：SCAN: INAL，狀態(tài)口地址 ；取狀態(tài)信息TESTAL，01H ；測(cè)忙閑標(biāo)志JNZSCAN ；忙，轉(zhuǎn)移MOVAL，數(shù)據(jù)OUT數(shù)據(jù)口地址，AL ；空閑，輸出數(shù)據(jù)3．中斷傳送方式查詢(xún)傳送方式要求CPU反復(fù)讀取并檢測(cè)外設(shè)的狀態(tài)，大量的時(shí)間花費(fèi)在等待外部設(shè)備就緒上。如果系統(tǒng)中含有多個(gè)外設(shè)，CPU需要輪流對(duì)每個(gè)外設(shè)查詢(xún)，這樣將降低CPU的效率，而且每個(gè)外設(shè)的速度又存在差異，在這種情況下，CPU不可能及時(shí)地滿(mǎn)足各個(gè)外設(shè)的輸入輸出請(qǐng)求，這在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中很不合適。為了避免這種情況以及提高CPU的利用率，可以采用這樣的方法：當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備好后，外設(shè)接口主動(dòng)向CPU發(fā)“中斷請(qǐng)求”信號(hào)，若CPU響應(yīng)這一請(qǐng)求，則暫停正在執(zhí)行的程序，而轉(zhuǎn)入與外設(shè)操作有關(guān)的中斷服務(wù)程序。在中斷服務(wù)程序中完成數(shù)據(jù)的輸入和數(shù)出，中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢，CPU返回到原來(lái)暫停的程序繼續(xù)執(zhí)行，這就是中斷傳送方式。中斷傳送方式中，CPU和外設(shè)（甚至多個(gè)外設(shè)）可同時(shí)工作，從而大大提高了CPU的效率和控制程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)性。中斷傳送時(shí)的接口電路如（教材）圖5-8所示。它有兩個(gè)端口，即數(shù)據(jù)口和中斷控制口，它們合用一個(gè)地址。當(dāng)輸入設(shè)備數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，發(fā)出選通信號(hào)，該信號(hào)把數(shù)據(jù)存入鎖存器，同時(shí)使D觸發(fā)器置1，發(fā)出中斷請(qǐng)求。若中斷是開(kāi)放的，則CPU接收中斷請(qǐng)求信號(hào)，在現(xiàn)行指令執(zhí)行完后，暫停正在執(zhí)行的程序，發(fā)出中斷響應(yīng)信號(hào)。由外設(shè)將一個(gè)中斷矢量放到數(shù)據(jù)總線上，CPU就轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序，完成讀取或輸出數(shù)據(jù)，同時(shí)清除中斷請(qǐng)求標(biāo)志。中斷處理完畢后，CPU返回被中斷的程序繼續(xù)執(zhí)行。4．直接存儲(chǔ)器存取DMA（DirectMemoryAccess）方式中斷方式雖然可以提高計(jì)算機(jī)的工作效率，但仍然是通過(guò)CPU執(zhí)行程序來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送的。這對(duì)于要求高速且傳送大量數(shù)據(jù)的外設(shè)（例如硬盤(pán)或高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等）來(lái)說(shuō)，速度就顯得太慢了，因?yàn)檫@種數(shù)據(jù)交換是成批的，且單位數(shù)據(jù)之間的時(shí)間間隔較短，若采用中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸控制，則每次轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序，CPU都要進(jìn)行保護(hù)斷點(diǎn)和一些寄存器的值以及在中斷服務(wù)結(jié)束之后還要對(duì)這些值進(jìn)行恢復(fù)的額外工作。另外當(dāng)大量的數(shù)據(jù)傳遞時(shí)，在主機(jī)內(nèi)部，數(shù)據(jù)不可能完全放在CPU中，只能放在內(nèi)存中。在CPU控制下進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的傳遞，就必須把內(nèi)存中的數(shù)據(jù)讀到CPU中，然后再寫(xiě)到外設(shè)，或者反方向，把數(shù)據(jù)從外設(shè)讀到CPU再寫(xiě)往內(nèi)存。所有這些都會(huì)降低CPU的利用率。為此，設(shè)想不經(jīng)過(guò)CPU，直接建立內(nèi)存和外設(shè)的數(shù)據(jù)傳送通路，這種方式稱(chēng)為直接