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主 要 内 容

主 要 内 容. 理论基础 Summary √ 处理器 CPU √ 汇编语言 Assembly Language √ 存储器 Memory √ I/O 接口 I/O Controller 总线技术. 第 8 章 I/O 接口技术. I/O 接口概述 I/O 接口的寻址、 I/O 指令 I/O 接口的 3 种工作方式 应用实例 8255A 并行接口 8253A 定时 / 计数器. 外围设备（ I/O Device ）特点. 输入设备： 键盘、鼠标、扫描仪、手写笔 输出设备： 显示器，打印机，绘图仪；

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  1. 主 要 内 容 • 理论基础 Summary √ • 处理器 CPU √ • 汇编语言 Assembly Language √ • 存储器 Memory √ • I/O接口 I/OController • 总线技术

  2. 第8章 I/O接口技术 • I/O接口概述 • I/O接口的寻址、I/O指令 • I/O接口的3种工作方式 • 应用实例 • 8255A并行接口 • 8253A定时/计数器

  3. 外围设备（I/O Device）特点 • 输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、手写笔 • 输出设备：显示器，打印机，绘图仪； • 输入兼输出设备：终端，传真机； • 外存储器：磁盘，硬盘、磁带、光盘； • 数据通讯设备：FAX ，MODEM； • 过程控制设备：A/D，D/A，传感器，仪表。 外部设备多种多样，它们在工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差别很大

  4. I/O体系概述 因此，为了解决计算机与种类繁多的外部设备之间 的连接和信息交换，必须有一个信息转换和传输的 设备。一般称为 I/O接口或 I/O Controller。

  5. 微机原理简示图

  6. 并行硬盘接口 Parallel ATA 俗称IDE接口 串行硬盘接口 Serial ATA

  7. I/O接口的典型逻辑结构

  8. 数据寄存器：保存外设给CPU或CPU发往外设的数据数据寄存器：保存外设给CPU或CPU发往外设的数据 • 状态寄存器：保存外设或接口电路的状态 • 控制寄存器：保存CPU给外设或接口电路的命令 备注： 数据信号、状态信号、控制信号都是以“数据”的形式， 通过CPU的数据总线和I/O接口通信的。

  9. I/O端口与寻址 CPU与外设通信时，传送的信息主要包括数据信息、状态信息和控制信息。 在接口电路中，这些信息分别进入不同的寄存器，通常将这些寄存器在 逻辑统称为I/O端口（Port） 。即： • I/O端口：是指I/O接口中CPU可以读/写的寄存器。 • 数据端口：数据端口是用来存放外设送往CPU的数据或CPU要输出到外设去的数据。这些数据是主机和外设之间交换的最基本的信息，长度一般为1-2字节，数据端口主要起数据缓冲的作用。 • 状态端口：状态端口是用来指示外设的当前状态。每种状态用1位表示，每个外设可以有几个状态位，它们可由CPU读取，以测试或检查外设的状态，决定程序的流程。 • 控制端口：它用来存放CPU向接口发出的各种命令和控制字，以便控制接口或设备的动作。常见的命令信息位有启动位、停止位、允许中断位等。接口芯片不同，控制字的格式和内容是各不相同的，常见的控制字有方式选择控制字，操作命令字等。

  10. I/O端口与寻址 CPU对外设的访问实质上是对I/O接口电路中 相应的端口进行访问，因此和存储器一样， 也需要给所有的I/O端口编址。 I/O端口的编址方式有两种： 存储器编址方式（统一编址） 独立编址方式

  11. I/O端口与寻址 • 存储器映像编址（统一编址）： • 将I/O接口所有的端口和存储单元合并统一编址，在这种方式中，把每个I/O端口像存储器的一个单元来对待 优点是： CPU对外设的操作可使用全部的存储器操作指令，无需额外增加对I/O操作的指令 内存和外设的地址分布连续统一 硬件上不需要设计区分是存储器还是I/O操作的控制信号 缺点是： 外设占用了内存单元，使内存容量减小

  12. I/O端口与寻址 • 独立编址： • 将I/O接口所有的端口和存储单元分别独立编址，内存地址空间和I/O地址空间是相互独立的。 优点是： I/O端口不占用存储器的地址空间 I/O指令短、执行速度快、译码简单 缺点是： 对I/O的访问需要增设专门的I/O指令 I/O指令功能相对较弱，一般只有传送功能，而没有运算功能

  13. 两种编址方式示意图 I/O端口 存储 单元 220 字节 216 存储器映像编址 （统一编址） I/O端口 内存单元 独立编址方式

  14. PC的I/O架构 （独立编址） • 我们的PC机采用的是独立编址方式， 有专门的I/O指令。 • 访问存储器 • 使用20根地址线A0~A19 • 使M/IO#=1 • 内存地址范围为00000H～0FFFFFH共1MB • 访问I/O端口 • 使用低16根地址线A0~A15 • 使M/IO#= 0 • I/O端口地址范围为0000H～0FFFFH共64K

  15. 常见的I/O端口地址

  16. 总结： • 每一个I/O端口对应一个I/O地址，CPU由端口地址区分I/O端口从硬件角度看，端口可以理解为寄存器。 • 在I/O操作中，主要有三类信息：数据信息、状态信息和控制信息 分别存放于相应的端口。 • CPU对外设的控制，是通过对接口电路中各I/O端口的 读/写操作完成的。

  17. I/O指令（IN、OUT） 在PC中，所有和I/O的操作均使用I/O指令，即 IN 和 OUT IN：完成I/O向CPU的数据传送（即从I/O读信息） OUT：完成CPU向I/O的数据传送（即向I/O写信息） 指令格式如下： 输入: IN AX，Port IN AL，Port 输出: OUT Port，AX OUT Port，AL Port是某个端口的地址值，且port<256 例： IN AX,0028H MOV num1,AX 把端口地址为28H的内容经AX送num1存储单元 OUT 0005H,DL

  18. I/O指令（IN、OUT） 特殊情况：如果端口地址>256（00FFH），那么需先把端口地址放在DX寄存器内 其指令格式如下： 输入： MOV DX，XXXXH IN AX，DX 或 IN AL，DX 输出： MOV DX，XXXXH OUT DX，AX 或 OUT DX，AL XXXXH为大于 256（00FFH）的地址值 例： MOV DX,03FCH IN AX,DX 把端口地址为03FCH的内容送AX 端口的宽度（8位还是16位）取决于该I/O的硬件特性

  19. I/O程序举例（发声程序） 61H端口属于Intel 8255A（并行接口）

  20. sound源程序 MOV DX,100 IN AL,61H AND AL,11111100B sound: XOR AL,2 OUT 61H,AL MOV CX,0ffffh DELAY: LOOP DELAY DEC DX JNE sound

  21. I/O接口的工作方式 程序查询方式 Query： 由CPU主动通过I/O指令询问指定设备的当前状态 中断处理方式 Interrupt： 由I/O设备主动提出服务请求（即中断申请） DMA控制方式 Direct Memory Access： 即直接存储器存取

  22. 程序查询方式的特点： 程序查询方式解决了CPU与外设工作的协调问题，但是却大大降低了CPU的使用效率 在程序查询方式中，CPU处于主动地位，外设处于消极等待查询的被动地位； 设备较多时，外设就需要排队 适用场合： 这种传送方式适用于一般工作速度较慢的 外设，特别是外设数量不多，实时性要求 不高的场合。 程序查询方式逻辑示意图

  23. 中断方式 在查询传送方式中，CPU要不断地询问外设，当外设没有准备好时，CPU要等待，不能进行别的操作，这样就浪费了CPU的时间。而且许多外设的速度是较低的，如键盘、打印机等等，它们输入或输出一个数据的速度是很慢的。 为了提高CPU的效率，可采用中断的处理方式：CPU正常运行，当某个外设需要与CPU交互时，由接口向CPU 发出中断（打断）请求，CPU就暂停原执行的程序（称为实现中断），转去执行与该外设的操作（称为中断服务），待操作完成后即返回原中断点，CPU再继续执行原来的程序。这种模式就是中断。

  24. 外 设 发申请 中断服务程序 发申请 中断服务程序 中断方式下CPU执行程序流程

  25. 中断方式的特点 • 外设把数据准备好时，主动向CPU发出一个请求信号 • CPU接收到请求信号后，暂停当前的工作，进行该设备的数据传送操作。 • 赋予外设 “主动权”之后，CPU可以不必反复查询该设备的状态，而是正常地处理系统任务。 • CPU与外设处于某种“并行工作”的状态，从而提高CPU的工作效率。

  26. 中断源 • 打印机突然掉电了，CPU能否坐视不管？ • 除数为零，CPU能否坐视不管？ 引起中断的原因，或能发出中断请求的来源，称为中断源。 常分为 硬中断（也称外中断） 软中断（也称内中断，异常） 硬中断不可屏蔽，一般来源于各种硬件故障，CPU必须紧急处理。CPU的NMI引脚专门负责硬中断信号 软中断一般来源于各I/O接口、INT指令，除0错误、单步调试等。 CPU的INTR引脚专门负责软中断信号 备注：标志寄存器中的IF标志控制CPU是否响应中断或屏蔽中断

  27. 中断优先级与嵌套（了解） • 当有多个中断源同时请求时，CPU就要识别出是哪些中断源有中断请求，辨别和比较它们的优先权（Priority），先响应优先权级别最高的中断申请。另外，当CPU正在处理中断时，也要能响应更高级的中断申请，而屏蔽掉同级或较低级的中断请求。

  28. 中断处理过程（领会） 当CPU响应中断请求后，一般执行以下步骤： • 设置IF标志（CLI或STI） • 保护现场（如CS,IP等入栈） • 转入相应的中断服务程序 • 恢复现场（一般是先前入栈的内容出栈） • 中断返回指令

  29. 中断控制器 Intel 8259A 所有上述和中断有关的实现均是由专门 的硬件芯片实现的，最常见的就是Intel 8259A，一个典型的中断控制器

  30. 中断控制器Intel 8259A • 具有8级优先权控制，通过级连可扩展至64级优先权控制。 • 每一级中断都可以屏蔽或允许。 • 在中断响应周期，8259A可提供相应的中断向量，从而能迅速地转至中断服务程序。 • 8259A有几种工作方式，可以通过编程来进行选择。

  31. 8259A的编程 • 初始化编程： 由CPU向8259A送2～4个字节的初始化命令字ICW（Initialization Command Word）。在8259A开始正常工作之前，必须先送初始化命令字。 • 工作方式编程： 由CPU向8259A送3个字节的工作命令字OCW（Operation Command Word）。以规定8259A的工作方式。

  32. 中断方式的不足 • 中断方式仍是由CPU通过程序来传送，每次要保护断点，保护现场需用多条指令，每条指令要有取指和执行时间。这对于一个高速I/O设备，以及成组交换数据的情况，例如磁盘与内存间的信息交换，就显得速度太慢了

  33. DMA方式 对于一些高速外设，如高速磁盘控制器，中断方式往往满足不了它们的需要。 为此，提出了数据在I/O接口与存储器之间的传送，不经CPU的干预， 而是在专用硬件电路的控制下直接传送。 这种方法称为直接存储器存取(Direct Memory Access，缩写为DMA)。 此时，数据传送速度仅受存储器的存取速度和外部设备传输特性的限制。

  34. DMA 传送方式过程 CPU 内存 总线 请求 总线 响应 外设 DMA Controller

  35. DMA传送方式的特点 外设和内存之间，直接进行数据传送，不通过CPU。 进入DMA方式时不必保护CPU的现场。 传送数据方式由硬件代替软件，因而提高了数据传送的速度，缩短了数据传送的响应时间，传送效率高。适用于在内存与高速外设、或两个高速外设之间进行大批量数据传送。 电路结构复杂，硬件开销较大，提高了系统的成本。因此，只要CPU来得及处理的数据传送，就不必采用DMA方式。

  36. DMA控制器 Intel 8237A

  37. 常见的I/O接口（掌握） • Intel 8259A 中断控制器 • Intel 8237A DMA控制器 • Intel 8255A 并行控制器 • Intel 8253A/8254 计时/定数器

  38. 总结 • 输入输出概述。 • 外设接口的特性和基本结构 • I/O端口的编址方式 • 数据传送的控制方式 • I/O接口的3种工作方式 • 查询 • 中断 • DMA • 典型的I/O接口

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