1、第第6 6章章 基本输入输出接口基本输入输出接口教学重点 I/O接口电路的典型结构 无条件传送方式 查询传送方式 中断工作过程6.1 I/O接口概述什么是I/O接口（电路）？I/O接口是位于系统与外设间、用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路PC机系统板的可编程接口芯片、I/O插槽上的电路板（适配器）都是接口电路数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地址总线地址总线 AB存存储储器器I/O接接口口输输入入设设备备I/O接接口口输输出出设设备备C PU微型计算机的结构示意图微型计算机的结构示意图6.1 I/O接口概述（续1）为什么需要I/O接口（电路）？微机的外部设备多种多样工作原理、驱
2、动方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差别很大它们不能与CPU直接相连必须经过中间电路再与系统相连这部分电路被称为I/O接口电路多种外设多种外设6.1 I/O接口概述（续2）什么是微机接口技术？处理微机系统与外设间联系的技术注意其软硬结合的特点根据应用系统的需要，使用和构造相应的接口电路，编制配套的接口程序，支持和连接有关的设备6.1.1 I/O接口的主要功能 对输入输出数据进行缓冲和锁存输出接口有锁存环节，输入接口有缓冲环节实际的电路常用：输出锁存缓冲环节，输入锁存缓冲环节 对信号的形式和数据的格式进行变换微机直接处理：数字量、开关量、脉冲量 对I/O端口进行寻址 与CPU和I/O设备进行联
3、络6.1.2 I/O接口的典型结构I/O端口端口1I/O端口端口2I/O端口端口3地址地址译码译码数据数据缓冲缓冲控制控制电路电路外外设设ABDBCBCPU1. 接口电路的内部结构 CPU与外设主要有数据、状态和控制信息需要相互交换，于是从应用角度看内部： 数据寄存器 保存外设给CPU和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2. 接口电路的外部特性 主要体现在引脚上，分成两侧信号 面向CPU一侧的信号： 用于与CPU连接 主要是数据、地址和控制信号 面向外设一侧的信号： 用于与外设连接 提供的信号五花八门 功能定义、时序及有效电
4、平等差异较大3. 接口电路芯片的分类 接口电路核心部分往往是一块或数块大规模集成电路芯片（接口芯片）： 通用接口芯片 支持通用的数据输入输出和控制的接口芯片 面向外设的专用接口芯片 针对某种外设设计、与该种外设接口 面向微机系统的专用接口芯片 与CPU和系统配套使用，以增强其总体功能4. 接口电路的可编程性 许多接口电路具有多种功能和工作方式，可以通过编程的方法选定其中一种 接口需要进行物理连接，还需要编写接口软件 接口软件有两类： 初始化程序段设定芯片工作方式等 数据交换程序段管理、控制、驱动外设，负责外设和系统间信息交换6.1.3 I/O端口的编址接口电路占用的I/O端口有两类编排形式I/
5、O端口单独编址I/O地址空间独立于存储地址空间如8086/8088I/O端口与存储器统一编址它们共享一个地址空间如M6800理解端口I/O端口单独编址 优点： I/O端口的地址空间独立 控制和地址译码电路相对简单 专门的I/O指令使程序清晰易读 缺点： I/O指令没有存储器指令丰富内存内存空间空间I/O空间空间FFFFF0FFFF80 x86采用采用I/O端口独立编址端口独立编址I/O端口与存储器统一编址 优点： 不需要专门的I/O指令 I/O数据存取与存储器数据存取一样灵活 缺点： I/O端口要占去部分存储器地址空间 程序不易阅读（不易分清访内存和访问外设）内存内存部分部分I/O部分部分存储
6、器空间存储器空间00000FFFFF6.1.4 8088/8086的输入输出指令 输入指令 IN AL,data8;字节输入，直接寻址 IN AL,DX;字节输入，间接寻址 IN AX,data8;字输入，直接寻址 IN AX,DX;字输入，间接寻址 输出指令 OUT data8,AL;字节输出，直接寻址 OUT DX,AL;字节输出，间接寻址 OUT data8,AL;字输出，直接寻址 OUT DX,AL;字输出，间接寻址演演示示演示演示8088/8086的I/O端口 8086/8088只能通过输入输出指令与外设进行数据交换；呈现给程序员的外设是端口（Port），即I/O地址 8086用于寻
7、址外设端口的地址线为16条，端口最多为21665536（64K）个，端口号为0000H FFFFH 每个端口用于传送一个字节的外设数据I/O寻址方式 8088/8086的端口有64K个，无需分段，设计有两种寻址方式 直接寻址：只用于寻址00H FFH前256个端口，操作数data8表示端口号 间接寻址：可用于寻址全部64K个端口，DX寄存器的值就是端口号 对大于FFH的端口只能采用间接寻址方式数据交换方式 如果输入输出一个字节，利用AL寄存器 如果输入输出一个字，利用AX寄存器 输入一个字，实际上是从连续两个端口输入两个字节，分别送AL（对应低地址端口）和AH（对应高地址端口） 输出一个字，实
8、际上是将AL（对应低地址端口）和AH（对应高地址端口）两个字节的内容输出给连续两个端口IN指令（从20H端口输入一个字）；方法1：字输入，直接寻址IN AX,20H；方法2：字输入，间接寻址MOV DX,20HIN AX,DX；方法；方法3：字节输入，直接寻址：字节输入，直接寻址IN AL,21HMOV AH,ALIN AL,20H；方法；方法4：字节输入，间接寻址：字节输入，间接寻址MOV DX,21HIN AL,DXMOV AH,ALDEC DXIN AL,DXOUT指令（向300H端口输出一个字节）；唯一的方法：间接寻址，字节量输出MOV AL,bvar；bvar是字节变量MOV DX,
9、300HOUT DX,AL6.1.5 I/O地址的译码 I/O地址的译码方法与存储器地址的译码方法一样，但有它的特点： 部分译码时，通常是中间地址线不连接 部分译码也有最低地址线不连接的情况 每个接口电路通常只占用几个I/O地址，这时可以利用基本逻辑门电路进行地址译码 译码器：产生多个外设的I/O端口地址IBM PC/AT主机板的I/O译码电路接口芯片内部译码接口芯片内部译码A0A4DMA控制器控制器1中断控制器中断控制器1定时计数器定时计数器并行接口电路并行接口电路DMA页面寄存器页面寄存器中断控制器中断控制器2DMA控制器控制器2协处理器协处理器A5A6A7A8A9ALS138译码器译码器
10、HLDAMASTERABCE1E2E3Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7IBM PC/XT主机板的I/O译码电路Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5Y6 Y7A5A6 A7A8A9 AENIOWAB CG2BG2AG1DMA CS（8237）INTR CS（8259）T/C CS（8253）PPI CS（8255）WRTDMAPG（写（写DMA页面寄存器）页面寄存器）WRTNMIREG（写（写NMI屏蔽寄存器）屏蔽寄存器）逻辑门电路进行I/O地址译码A9A8A7A6A5A2A4A3AENA1A074LS033E7H6.1.6 数据传送方式 程序控制下的数据传送通过CPU执行程序中的I/O指令来完成
11、传送，又分为：无条件传送、查询传送、中断传送 直接存储器存取（DMA）传送请求由外设向DMA控制器（DMAC）提出，后者向CPU申请总线，最后DMAC利用系统总线来完成外设和存储器间的数据传送 I/O处理机CPU委托专门的I/O处理机来管理外设，完成传送和相应的数据处理6.2 无条件传送方式及其接口 在CPU与慢速变化的设备交换数据时，可以认为它们总是处于“就绪”状态，随时可以进行数据传送，这就是无条件传送，或称立即传送、同步传送 适合于简单设备，如LED数码管、按键或按纽等 无条件传送的接口和操作均十分简单 这种传送有前提：外设必须随时就绪流流程程无条件传送：输入示例MOV DX, 160H
12、INAL, DXIOR三态缓冲器OEI/O装置地址译码器CSD7D0A15A1A00160H无条件传送：输入实例MOV DX, 160HINAL, DX74LS244+5V10K x 8G1 G2数据总线数据总线CSRD缓冲器缓冲器74LS24474LS244简介简介常用典型芯片：常用典型芯片：74LS240/241无条件传送：输出示例MOV DX, 160HMOV AL, BXOUT DX, AL地址译码器数据锁存器A15A1IOWA0CS0160H输出设备D7D0无条件传送：输出实例MOV DX, 160HMOV AL, BXOUT DX, AL+5V74LS373300 x 8LE OE
13、数据总线数据总线CSWR锁存器锁存器74LS373简介简介使能使能GHLHHHHLLLLLQ0Z输出允许OE输入输出Q常用典型芯片：常用典型芯片：74LS273,573,Intel8282/8283无条件传送：输入输出接口next:mov dx,8000h;DX指向数据端口in al,dx;从输入端口读开关状态not al ;反相out dx,al;送输出端口显示call delay;调子程序延时jmp next;重复K7K1K0+5VD0D7A0A15CLKLS06反相反相驱动器驱动器LS2738D锁存器锁存器LS244三态三态缓冲器缓冲器8000H译码译码+5VLED0LED7GIOWIO
14、R6.3 查询传送方式及其接口 CPU需要先了解（查询）外设的工作状态，然后在外设可以交换信息的情况下（就绪）实现数据输入或输出 对多个外设的情况，则CPU按一定顺序依次查询（轮询）。先查询的外设将优先进行数据交换 查询传送的特点是：工作可靠，适用面宽，但传送效率低就绪就绪查询传送的两个环节 查询环节寻址状态口读取状态寄存器的标志位若不就绪就继续查询，直至就绪 传送环节寻址数据口是输入，通过输入指令从数据端口读入数据是输出，通过输出指令向数据端口输出数据输入状态输入状态就绪？就绪？数据交换数据交换YN流流程程6.3.1 查询输入接口mov dx,8000h;DX指向状态端口status: in
15、 al,dx;读状态端口test al,01h;测试标志位D0jz status;D00，未就绪，继续查询inc dx;D01，就绪，DX指向数据端口in al,dx;从数据端口输入数据IOR+5V8D锁存器锁存器8位位三态三态缓冲器缓冲器译码译码1位位三态三态缓冲器缓冲器RQ A0A158000H8001HD0D7D0D输入输入设备设备IORSTB6.3.2 查询输出接口mov dx,8000h;DX指向状态端口status: in al,dx;读取状态端口的状态数据test al,80h;测试标志位D7jnz status;D71，未就绪，继续查询inc dx;D70，就绪，DX指向数据端
16、口mov al,buf;变量buf送ALout dx,al;将数据输出给数据端口8D锁存器锁存器译码译码1位位三态三态缓冲器缓冲器RQ A0A158000H8001HD0D7D7D+5V输出输出设备设备ACKIOWIOR6.4 中断传送方式 CPU在执行程序中，被内部或外部的事件所打断，转去执行一段预先安排好的中断服务程序；服务结束后，又返回原来的断点，继续执行原来的程序断点断点主程序主程序中断服务程序中断服务程序中断请求中断请求对外设对外设进行处理进行处理继续执行继续执行返回断点返回断点流程流程6.4.1 中断传送与接口 中断传送是一种效率更高的程序传送方式 进行传送的中断服务程序是预先设计
17、好的 中断请求是外设随机向CPU提出的 CPU对请求的检测是有规律的：一般是在每条指令的最后一个时钟周期采样中断请求输入引脚 本节主要论述中断在输入和输出方面的应用 中断还有着非常广泛的应用中断输入接口D0D7+5V8D锁存器锁存器8位位三态三态缓冲器缓冲器三态缓冲器三态缓冲器RQ 译码译码 8001H中断向量号中断向量号D0D7INTRD输入输入设备设备中断允许触发器中断允许触发器A0A15中断请求触发器中断请求触发器IORINTASTB6.4.2 中断工作过程 中断请求n中断响应中断响应n关中断关中断n断点保护断点保护n中断识别中断识别n现场保护现场保护n中断服务中断服务n恢复现场恢复现场
18、n开中断开中断n中断返回中断返回中断服务是进行数据交换的实质性环节中断服务是进行数据交换的实质性环节6.5 DMA传送方式 希望克服程序控制传送的不足： 外设CPU存储器 外设CPU存储器 直接存储器存取DMA： 外设存储器 外设存储器 CPU释放总线，由DMA控制器管理DMA传送的工作过程 CPU对DMA控制器进行初始化设置 外设、DMAC和CPU三者通过应答信号建立联系：CPU将总线交给DMAC控制 DMA传送DMA读存储器：存储器 外设DMA写存储器：存储器 外设 自动增减地址和计数，判断传送完成否DMA传送流程HLDA发存储器地址发存储器地址传送数据传送数据传送结束？传送结束？DMA结
19、束结束修改地址指针修改地址指针流程流程传送方式的比较 无条件传送：慢速外设需与CPU保持同步 查询传送： 简单实用，效率较低 中断传送：外设主动，可与CPU并行工作，但每次传送需要大量额外时间开销 DMA传送：DMAC控制，外设直接和存储器进行数据传送，适合大量、快速数据传送DMADMA方式传送数据，具有最高的传送速度，但连接方式传送数据，具有最高的传送速度，但连接DMACDMAC比较复杂。比较复杂。在实际工程应用中，除非必须使用在实际工程应用中，除非必须使用DMACDMAC，否则就不使用它，宁，否则就不使用它，宁肯用查询或中断方式进行数据传送。肯用查询或中断方式进行数据传送。第第6 6章教学
20、要求章教学要求1. 了解I/O接口电路的主要功能、内部和外部特点、端口编址方法、I/O地址译码特点2. 掌握输入输出指令3. 掌握无条件、查询传送方式第第6 6章教学要求（续）章教学要求（续）5. 理解DMA传送的工作过程1. 什么是接口？什么是端口？接口有哪些功能？接口什么是接口？什么是端口？接口有哪些功能？接口中传送的信息有哪几类？中传送的信息有哪几类？ 2. I/O端口的寻址方式有哪些？在端口的寻址方式有哪些？在8086/8088微机系统微机系统中，中，CPU是如何实现对是如何实现对I/O端口寻址的？端口寻址的？3. 4. CPU与外设之间的输入输出数据传输方式有哪几种？与外设之间的输入
21、输出数据传输方式有哪几种？何谓程序控制方式？它有哪几种基本方式？何谓程序控制方式？它有哪几种基本方式？5. 6. 4. 有一外设接口，其数据端口地址为有一外设接口，其数据端口地址为100H，状态，状态端口地址为端口地址为101H端口的端口的D7位表示输入设备的状态。位表示输入设备的状态。当当D7=1 时，表示外设数据已经准备好。用状态查时，表示外设数据已经准备好。用状态查询方式实现从外设输入数据。询方式实现从外设输入数据。习习 题题5. 某外设接口，其数据端口地址为某外设接口，其数据端口地址为301H，状态，状态端口地址为端口地址为300H端口的端口的D0位表示输出设备位表示输出设备的状态。当
22、的状态。当D0=1时，表示外设已经空闲，时，表示外设已经空闲，CPU将将AH中的一字节数据输出。用状态查询中的一字节数据输出。用状态查询方式实现对外设数据的输出。方式实现对外设数据的输出。6. 6. 试叙述直接数据通道传送试叙述直接数据通道传送(DMA)的优缺点的优缺点及传送的主要工作过程。及传送的主要工作过程。多种多样的外设 工作原理不同 机械、电子、机电、电磁 传送信息类型多样 数字量、模拟量、开关量 传送速度差别极大 传送方式不尽相同 串行、并行 编码方式不同 二进制、BCD码、ASCII码返回输出接口的锁存环节内内部部数数据据总总线线外外部部数数据据引引脚脚锁存控制锁存控制DCQDCQ
23、DCQ返回输出接口的锁存、缓冲环节内内部部数数据据总总线线外外部部数数据据引引脚脚锁存控制锁存控制DCQDCQDCQ读数据读数据返回输入接口的缓冲环节内内部部数数据据总总线线外外部部数数据据引引脚脚选通选通缓冲器缓冲器返回输入接口的锁存、缓冲环节内内部部数数据据总总线线外外部部数数据据引引脚脚锁存控制锁存控制锁存器锁存器缓冲器缓冲器DCDCDCQQQ选通选通返回端口（PORT） 端口泛指I/O地址，通常对应寄存器 一个接口电路可以具有多个I/O端口，每个端口用来保存和交换不同的信息 数据寄存器、状态寄存器和控制寄存器占有的I/O地址常依次被称为数据端口、状态端口和控制端口，用于保存数据、状态和控制信息 输入、输出端口可以是同一个I/O地址一定要理解一定要理解返回返回返回返回就绪（Ready） 在输入场合 “就绪”说明输入接口已准备好送往CPU的数据，正等着CPU来读取 该状态也可用接口中数据缓冲器已“满”来描述 在输出场合 “就绪”说明输出接口已做好准备，等待接收CPU要输出的数据 该状态也可用接口数据缓冲器已“空”、或者用接口（外设）“闲”或不“忙（Busy）”来描述就绪：满，空、闲、不忙就绪：满，空、闲、不忙返回返回返回返回
