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第7章 输入与输出（I/O） 本章主要教学内容 输入输出接口的基本概念 I/O端口的寻址方式 输入/输出数据的传输控制方式 7.1 输入输出（I/O）接口的基本概念 程序、原始数据和各种现场信息需要输入计算机； 计算结果或给出的各种控制信号需要输出进行显示、打印和实现动作控制； CPU与外设之间的信息交换需通过I/O接口来实现。 7.1.1 I/O接口的定义及功能 1. I/O接口的定义 接口的基本意思是交接界面（Interface），在计算机中指不同硬件或软件之间的连接部分； I/O接口指设置在主机与外设之间，使两者协调工作的连接电路； I/O接口在CPU和外设之间建立一个缓冲隔离区，解决两者在数据形式、数据的传递方式以及传输速率等方面存在很大差异的矛盾。 7.1.2 接口电路中的信息 数据信息是CPU与外设交换的基本信息和最终目的，通常是8位和16位。 根据类型可分为：数字型，模拟型，开关型及脉冲型等； 数据的传送可以是输入，也可以是输出。 状态信息反映外设当前的工作状态。 对于输入设备，通常用数据准备就绪（READY）表示待输入数据已准备好； 对于输出设备，通常用忙碌（BUSY）表示外设是否处于空闲状态； 状态信息通过接口送往CPU，CPU在数据就绪和外设不忙的情况下才进行I/O操作。 控制信息是用于控制接口和外设工作的信息。 控制信息由CPU送给接口和外设。 7.1.3 端口的概念 接口电路中传输的数据、状态和控制信息是不同性质的信息，需要区别对待； CPU通过接口与外设交换信息时，对于三种不同性质的信息都用相同的IN、OUT指令以数据的形式通过数据总线进行传递； CPU与多个接口电路相连接，某一时刻只能与一个外设交换一种信息。 接口中要分别设计存储不同信息的寄存器，即端口； 每个端口都有自己独立的地址； 复用端口通过操作顺序或数据特定标志位加以区分； 接口电路的硬件设计对编程不可见，编程时需要清楚端口的分配及其相应的功能。 7.1.4 接口的类型 接口电路种类繁多，功能各异； 按通用性划分：专用接口，如显卡、声卡、网卡、键盘和鼠标控制器、以及软、硬盘控制器等；通用接口可供多种外设使用，如8255A、8251A等。 按数据传送方式划分：并行接口和串行接口； 按复杂程度划分：大规模集成的，具有标准、系列、智能等特点；分立元件的，自行设计； 接口电路设计存在多种规范，如LPT、COM、USB（板载）和扩展槽的使用，PnP技术等等。 7.2 I/O端口的寻址方式 7.2.1 I/O端口的编址 1. I/O端口和存储器统一编址 端口地址和存储单元地址共同占用存储器的访问空间；端口输入和输出操作等同于存储器的读和写操作； 优点：不用设置专用的I/O命令；CPU可以用访存命令，以及各种操作数寻址方式对I/O端口操作； 缺点：在地址总线根数一定的情况下，使系统中实际可以直接寻址的内存单元数减少；指令代码较长（端口地址字节多），对提高系统的运行速度不利。 7.3 CPU与外设之间数据传输的控制方式 CPU与外设通过接口交换信息控制方式有： 7.3.1 程序控制方式 用输入/输出指令（IN、OUT）控制信息的传输，是一种软件控制方式。根据程序控制的方法不同，可分为： 1. 无条件传送控制方式 利用程控方式与外设交换信息时，如果在输入/输出时刻，可以保证外设总是处于“准备好”状态，则可以直接利用输入/输出指令进行信息的输入/输出操作。 2. 条件传送控制方式（查询传送） 在CPU与外设工作不同步时可采用条件传送，即数据传送前，先通过程序查询外设的状态，若状态不符合，则CPU不能进行输入/输出操作，需要等待；只有当状态信号符合要求时，CPU才能进行相应的输入/输出操作； 这种控制方式中，外设要提供反映其状态的信号： 输入设备：提供“准备好”（“READY”）信号，1 表示输入数据已准备好； 输出设备：提供“忙”(“BUSY”)信号，1表示当前时刻不能接收CPU来的数据，只有当“BUSY”＝0时，才表明可以接受来自于CPU的输出数据。 （1） 查询输入 输入设备数据准备好，发选通信号，使数据送入锁存器并使状态触发器为“1”，给出“准备好”信号READY； CPU输入数据前，先从状态端口读取状态信息，判断数据是否准备好，准备好，从数据端口输入数据并使状态触发器清“0”。 （4）查询传送中多设备服务的优先级 当CPU需要对多个设备进行查询服务时，就出现了优先级问题，即究竟先为哪个设备服务； 一般采用轮流查询的方式来解决，所以先被查询的设备具有较高的优先级； 这种优先级管理方式存在着一个问题，即某设备的优先级会发生变化； 为实现各设备之间固定的优先服务顺序，需要