文档介绍：本章主要教学内容
输入输出接口技术的概念和功能
CPU与I/O接口之间传递的信息类型及I/O端口的编址方式
CPU与外部设备之间数据传送方式的原理、特点及应用
第6章基本输入/输出
接口技术
接口技术概述
微型计算机系统的输入和输出通常是指计算机与外部设备之间的信息交换,也称为通信。在微型计算机中,各种外部设备与计算机之间的通信是通过接口实现的。接口部件起着数据缓冲、隔离、数据格式交换、寻址、同步联络和定时控制等作用。
输入输出接口的概念与功能
1. 输入输出接口的概念
通常,一种外部设备与微型计算机相连接是需要一个接口电路的,通常称之为I/O接口。为什么一个外部设备与微型计算机连接需要一个接口电路呢?这是因为计算机的外部设备种类繁多,具备的功能不同,工作速度上也有较大的差异,因此,计算机的外部设备与CPU连接时,必然会带来一些问题。
归纳起来有以下4个方面:
(1)工作速度的匹配问题
(2)工作时序的配合问题
(3)信息表示格式上的一致性问题
(4)信息类型与信号电平的匹配问题
为了解决上述问题,就需要在CPU与外部设备之间连接接口设备。所谓接口是指CPU和存储器、外部设备或者两种外部设备之间,或者两种机器之间通过系统总线进行连接的逻辑部件(或称电路),它是CPU与外界进行信息交换的中转站。源程序和原始数据通过接口从输入设备(例如键盘)送入,运算结果通过接口向输出设备(例如CRT显示器、打印机)送出去;控制命令通过接口发出去(例如步进电机),现场信息通过接口取进来(例如温度值、转速值)。
2. 输入输出接口的功能
一般情况下,计算机的输入输出接口应该具备下述功能:
(1)寻址功能
(2)输入/输出功能
(3)数据转换功能
(4)联络功能
(5)中断管理功能
(6)接收复位信号并对接口进行初始化
(7)可编程功能
(8)检测错误的功能
CPU与I/O接口之间传递的信息类型
计算机的CPU与一个输入/输出设备进行信息交换时,通常需要3类信息,即数据信息、状态信息和控制信息,如图6-1所示。
1. 数据信息
(1)数字量:数字量可以是二进制形式表示的数据,或以ASCII码表示的数据及字符。
(2)模拟量:当微型计算机用于检测或过程控制时,传感器把现场大量的非电量如温度、压力、差压、流量、物质成分等信息转换成电信号,并经过放大器放大,然后经过采样器和模/数转换器变成数字信号才能被计算机接收。
(3)开关量:开关量是具有两个状态的量,如开关的闭合与断开,阀门的打开与关闭,电机的启动与停止等。
图6-1 CPU与I/O接口之间传递的信息
2. 状态信息
状态信息通常表示外部设备或接口部件本身的状态,是从接口送往CPU的信息。在输入时,通常用准备就绪(READY)信号来表示待输入的数据是否准备好;在输出时,通常用忙(BUSY)信号来表示输出设备是否处于空闲状态。如果为空闲状态,则CPU可以执行输出指令,向该外设传送数据信息,如果处于忙状态,则CPU等待。
3. 控制信息
控制信息是CPU通过数据总线传给接口中的控制寄存器的信息。最常见的控制信息主要有使外部设备启动或停止的控制信息。
数据信息、状态信息和控制信息是不同性质的信息,应分别进行传送。但是,在大部分微型计算机中只有通用的输入指令和输出指令,因此外部设备的状态、控制信息也被广义地当作一种数据信息,通过数据总线传送。
I/O端口的编址方式
接口中的寄存器又叫做I/O端口,每一个端口有一个编号,叫做端口号,又叫端口地址。数据寄存器就是数据端口,用于对来自CPU和外设的数据起缓冲作用。状态寄存器就是状态端口,用来存放外部设备或者接口部件本身的状态。CPU通过对状态端口的访问和测试,可以知道外部设备或接口本身的当前状态。控制寄存器就是控制端口,用来存放CPU发出的控制信息,以控制接口和外部设备的动作。也可以说,CPU与外部设备之间传送信息都是通过数据总线写入端口或从端口中读出的,所以,CPU对外部设备的寻址,实质上是对I/O端口的寻址。
在微型计算机系统中,I/O接口的地址编排大都采用能够单独编址方式,其地址空间独立于存储器,不占用存储空间,该编址方式下,CPU访问I/O端口必须采用专用的I/O指令,所以也叫专用I/O指令方式。
独立编址方式的主要优点是可以节省内存空间,由于系统需要的I/O端口寄存器一般比存储器单元要少得多,故I/O地址线较少,因此I/O端口地址译码较简单,寻址速度较快。其缺点是由于专用I/O指令类型少,远不如存储器访问指令丰富,使程序设计灵活性较差。
CPU与外设间数据传送方式
计算机的外部设备通常有外存设备(如磁盘、光盘)、输入设备(如键盘、鼠标)、输出设备(如显示器、打印机)、