微机原理与接口技术：第7章 IO interface and bus

1、7-1 I/O interface and bus一、一、function 1、采用、采用I/O接口的必要性接口的必要性 necessary 通讯通讯 communication： 指计算机与外设间交换数据、状态和命令的过程。指计算机与外设间交换数据、状态和命令的过程。 要通讯则需解决如下问题要通讯则需解决如下问题（必要性）必要性） ： 1）速度不匹配问题）速度不匹配问题 speed CPU速度快速度快 I/O接口接口 外设速度慢外设速度慢 2）信号电平不匹配问题）信号电平不匹配问题 signal CPU使用使用TTL电平，外设是复杂的信号。电平，外设是复杂的信号。 TTL 电平电平 转为外设

2、所需信号转为外设所需信号 外设信号外设信号 转为转为TTL 电平电平 3）信号格式不匹配问题）信号格式不匹配问题 format CPU总线上传送总线上传送8位、位、16位、位、32位并行数据位并行数据 外设：所需信号种类有模拟量，数字量，外设：所需信号种类有模拟量，数字量， 开关量等；电压，电流；串行方式，并行方开关量等；电压，电流；串行方式，并行方式。式。4）时序不匹配问题）时序不匹配问题 time sequence CPU的时序与外设自己的定时和控制逻辑不的时序与外设自己的定时和控制逻辑不一样。一样。2、接口功能、接口功能 interface function 主要作用：解决主要作用：解决

3、CPU与外设间的不匹配，不与外设间的不匹配，不 能协调工作的问题。能协调工作的问题。 功能如下：功能如下： 1）设置数据缓冲器）设置数据缓冲器buffer，解决速度差异。，解决速度差异。 2）设置电平转换电路）设置电平转换电路 如串行接口芯片如串行接口芯片 MAX232（TTL 12V） 3）设置信息逻辑转换电路：）设置信息逻辑转换电路： 如如A/D，D/A，接触器的通，接触器的通/断等。断等。 4）设置时序控制路实现）设置时序控制路实现CPU与外设同步，与外设同步， 如状态，应答信号。如状态，应答信号。 5）具备地址译码电路）具备地址译码电路 选择不同外设进行操作选择不同外设进行操作 二、简

4、单的二、简单的I/O接口芯片（接口芯片（P248 自学）自学）三、三、I/O端口及寻址方式端口及寻址方式 port and addressing 1、I/O端口：端口： CPU与外设通讯时，传送的信息与外设通讯时，传送的信息 1）数据信息）数据信息 数据数据R 数据口数据口 2）状态信息）状态信息 状态状态R 状态口状态口 3）控制信息）控制信息 控制控制R 命令口命令口1）数据端口：存放）数据端口：存放CPU与外设间交换的数据，长度与外设间交换的数据，长度 1-2字节，其数据缓冲作用。字节，其数据缓冲作用。2）状态端口：指示外设当前状态，每种状态用）状态端口：指示外设当前状态，每种状态用1位

5、表示位表示 常用状态位：常用状态位：READY（准备就绪）（准备就绪） READY=1时时 输入口：数据已准备好，等待输入口：数据已准备好，等待CPU读取，读取， CPU取走后，取走后，READY置置0。 输出口：输出输出口：输出R已空，可接收下一数据，已空，可接收下一数据， 收到下一数据，收到下一数据， READY置置0。 BUSY忙碌位忙碌位 表明输出设备能否接受数据。表明输出设备能否接受数据。 BUSY=1：忙，不接收：忙，不接收CPU传送数据传送数据 BUSY=0：闲，可接收：闲，可接收CPU传送数据传送数据错误位（错误位（ERROR）：数据传递出错位）：数据传递出错位 如奇如奇/偶校

6、验错，溢出错。偶校验错，溢出错。3）命令端口（控制口）：）命令端口（控制口）： 存放存放CPU对对I/O设备的命令和控制字。设备的命令和控制字。 如：启动，停止，允许中断。如：启动，停止，允许中断。 控制字有：方式选择控制字，操作命令字等控制字有：方式选择控制字，操作命令字等2、I/O端口的寻址方法：端口的寻址方法： 两种编址方式：存储器映两种编址方式：存储器映象象导址，导址，mapping I/O指令寻址。指令寻址。 I/O instruction存储器映象导址方式：存储器映象导址方式： 把把I/O端口做一个存储单元，与存储单元统一端口做一个存储单元，与存储单元统一 编址。编址。 优点：无需

7、专用优点：无需专用I/O指令，简化了指令系统，端指令，简化了指令系统，端 口空间可大可小。口空间可大可小。 缺点：占用了存储空间，指令字节数比专用缺点：占用了存储空间，指令字节数比专用I/O 指令长。指令长。 如：如：MC6800，MC68000，单片机，单片机51、96系列。系列。I/O单独编址方式：单独编址方式： 不占用存储器空间，构成一个不占用存储器空间，构成一个I/O空间。空间。 用专用的用专用的IN，OUT指令指令 8086中：用中：用A15A0导址导址I/O端（可访问端（可访问64K个）个） 用用M/IO控制信号区分控制信号区分I/O导址和存储器导址导址和存储器导址 优点：可读性好

8、（专用指令）优点：可读性好（专用指令） 速度快（指令字节少）速度快（指令字节少） 不占用内存空间不占用内存空间缺点：专用缺点：专用IN，OUT，指令系统复杂，指令系统复杂 功能不如访问存贮器的指令强功能不如访问存贮器的指令强 增加了控制信号（增加了控制信号（M/IO）四、四、CPU与外设间数据传送方式与外设间数据传送方式 data transfer 程序控制方式程序控制方式 program 三种类型三种类型 中断方式中断方式 interrupt DMA方式（硬件实现）方式（硬件实现） DMA1、程序控制方式：、程序控制方式： 无条件传送（同步传送）无条件传送（同步传送） 条件传送（查询方式）条

9、件传送（查询方式） 1）无条件数据传送方式）无条件数据传送方式 unconditional 应用场合：用于外设在任何时刻均已处于准应用场合：用于外设在任何时刻均已处于准 备好或接收状态。备好或接收状态。 举例：定时采集和现实三部位的温度举例：定时采集和现实三部位的温度 端口地址端口地址10H，11H，12H是与三个温度是与三个温度 源相连的源相连的A/D转换器的地址。转换器的地址。 编程：编程： START：IN AL ， 10H；采集温度；采集温度 CALL DISPLAY1；显示；显示 IN AL ，11H；采集温度；采集温度 CALL DISPLAY2；显示；显示 IN AL ， 12H

10、； CALL DISPLAY3； CALL DELAY；调延时；调延时 JMP START；2）条件传送（查询方式）条件传送（查询方式）conditional query CPU不断查询状态，满足条件后则传送，不断查询状态，满足条件后则传送， 否则等待。否则等待。查询输入流程图查询输入流程图 初始化初始化读入状态读入状态数据准备好数据准备好 传送完传送完NN 输入一数据 CPU数据 内存缓冲区YY结束查询输入接口电路：查询输入接口电路：输入设备 数据锁存器（8位） 数据缓冲器（8位）D R QC I/O译码+5V选通信号D触发器ReadyRD（读状态）CS2 CS1RD（读数据）2D7-D0M

11、/IOA15-A01编程：设状态口：编程：设状态口：PORT_SI 数据口：数据口：PORT_IN 传送数据字节数：传送数据字节数：COUNT_1 MOV BX , 0 ; 初始化指针初始化指针 MOV CX ,COUNT_1 ; 字节数字节数READ_SI：IN AL ，PORT_SI ; 读入状态位读入状态位 TEST AL ，01H ; D0=1？准备好？准备好？ JZ READ_SI ;否，转。否，转。 IN AL，PORT_IN ;已准备好已准备好,读入数据读入数据 MOV BX ，AL ; 存于缓冲区存于缓冲区 INC BX ; 修改指针修改指针 LOOP READ_SI ; 未完

12、，待续未完，待续 ; 已完，执行别的程已完，执行别的程序序查询工作过程：查询工作过程：输入设备准备好后，发选通信号输入设备准备好后，发选通信号 a：数据锁存起来：数据锁存起来 b: D触发器触发器Q=1CPU执行执行 IN AL ，PORT_S1后后: M/IO=0， RD=0 A15A0给出状态端口码给出状态端口码CS1=0 状态三态门打开，状态送入D0位上CPU执行执行 IN AL，PORT_IN 后：后： M/IO=0 RD=0 A15A0 给出数据端口码， CS2=0 缓冲器将数据送出，同时清0 READY 状态 P256 图7-8 查询输出接口电路（详细讲解） 条件传送数据的缺点：条

13、件传送数据的缺点： 反复查询过程，浪费CPU的时间，CPU利用率低。M/IOA15-A0D7-D0输出设备 数据锁存器（8位） R CQ D I/O译码D触发器RD（读状态）WR（写数据）21ACKD1（数据线）+5V选通信号BUSYCS1CS2查询输出接口电路 2、中断方式数据传送： 平时CPU执行主程序，只有输入数据准备就绪或输出设备已闲，才向CPU申请中断。CPU响应中断后，执行中断服务程序，进行一次数据交换，然后返回继续执行原程序。（详细讲授在第八章中进行） 3、DMA方式： 问题的提出 problem formulation： 虽然中断方式CPU利用率高，但执行中断仍需时间。DMA方

14、式是数据传递时，要CPU让出总线，由DMA控制利用总线直接与外设进行数据传送，不占用CPU时间。传递完后，DMA控制器再将总线还给CPU。 DMA方式传送数据的速度取决外设和内存速度。存储器 外 设HRQ DMAHLDA 控制器地址地址锁存器锁存器数据总线数据总线控制总线控制总线控制总线数据总线AD15AD0 ALECPUHLDA HOLDIORDREQ DACK地址总线IOWMEMW MEMR微机系统中微机系统中DMA控制器操作框图控制器操作框图P258 微机系统中DMA控制器操作框图（详讲） DMA方式读磁盘工作过程： procedure系统启动时： 开关接通CPU总线，存储器（总线属于C

15、PU）同时对DMA控制器初始化（传送字节数，起始地址，选DMA芯片通道） CPU向磁盘发读命令，磁盘控制器找到数据位置，开始读数据 数据准备好后，外设向DMA 控制器发请求信号 DREQ。若DMA输入通道未屏蔽，DMA 发HRQ到CPU的HOLD端。CPU收到后，中止当前程序运行，总线浮空并发保持响应信号HLDA，DMA控制器发信号使开关向下，总线与DMA控制器接通（DMA控制总线） DMA发送第一个数据地址且发出确认信号DACK，通知磁盘控制器准备好要输出的数据字节 DMA控制器使I/O读信号IOR、存储器写信号MEMW有效，磁盘输出数据到总线，并将总线数据写入存储器。 (6)每传送一个字节

16、数据后：DMA自动修改地址 R 的内容，指向下一地址，字节计数器减1，重 复上述过程，直到计数值减为0，并由0减到 FFFF为止。 (7)DMA结束后，HRQ无效，总线连接到CPU。 CPU恢复执行原中止程序。五、I/O译码电路和PC机的I/O地址分配 1、 I/O端口译码电路。 2、 PC机的I/O端口地址分配PC/XT机端口分配机端口分配 CPU:8088(兼容机兼容机8086) 接口芯片：接口芯片： 中断控制器中断控制器 8259A 1片片 主板上主板上 DMA控制器控制器8237A-5 1片片 并行并行I/O芯片芯片8255A-5 1片片 计数计数/定时器定时器8253-5 1片片 主

17、板上还有主板上还有8个个I/O扩展槽。（扩展槽。（I/O通道）通道） 提供磁盘驱动器提供磁盘驱动器I/O接口接口 I/O扩展槽扩展槽 打印机接口打印机接口 插入适配器插入适配器 CRT接口接口 异步通讯接口等异步通讯接口等PC/XT机中：机中： 用用A9A0进行进行I/O寻址寻址 A9=0寻址主板寻址主板I/O端口（端口（512个端口）个端口） A9=1寻址寻址I/O通道（通道（512个端口）个端口）主板上，主板上，I/O端口译码电路如下图所示：端口译码电路如下图所示：G1G2AG2BCBAY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y774LS138AEN A9A8A7A6A5IOWDMACS（去（去823

18、7A-5）INTRCS（去（去8259A）T/CCS（去（去8253-5）PPICS（去（去8255A-5）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）当AEN=1 A8A9=00时74LS138开始工作主板I/O地址范围：0000FFH(256) A9=1时，I/O通道（槽）：2003FFPC/XT机的I/O端口分配表如表1所示；PC/AT及兼容机的I/O端口地址分配表如表2示 系 统 板 I/O 通 道00001F（000F）02003F（2021） 04005F（4043）06007F（6063）08009F（8083）0

19、A00BF（A0）0C00DF0E00FF20020F2F8 2FF300 31F320 32F378 37F380 38F3B0 3BF3F0 3F73F8 3FF8237A-5 DMA控制器控制器8259A 中断控制器中断控制器8253-5 计数计数/定时器定时器8255A-5 并行接口并行接口DMA页寄存器页寄存器 NMI屏蔽寄存器屏蔽寄存器保留保留保留保留游戏游戏I/O口口异步通信异步通信2（COM2）实验卡（原型卡）实验卡（原型卡）硬磁盘适配器硬磁盘适配器并行打印机接口并行打印机接口同步通信控制器同步通信控制器单显单显/打印机适配器打印机适配器软磁盘适配器软磁盘适配器异步通信异步通信

20、1（COM1）分类 地址范围（H） I/O设备（端口） 表表1 PC/XT机的I/O端口分配表 系 统 板 I/O 通 道00001F02003F04005F06006F07007F08009F0A00BF0C00DF0F00F10F8 0FF1F0 1F8200 207278 27F2F8 2FF300 31F360 36FDMA控制器控制器1, 8237A-5中断控制器中断控制器1, 8259A(主片主片)定时器定时器 8254-2键盘接口处理器，键盘接口处理器，8042 实时时钟，实时时钟，NMI屏蔽寄存器屏蔽寄存器DMA页寄存器，页寄存器，74LS612中断控制器中断控制器2 8259

21、A(从片从片)DMA控制器控制器2， 8237A-5清除协处理器忙信号清除协处理器忙信号复位协处理器复位协处理器协处理器协处理器硬磁盘硬磁盘游戏游戏I/O口口并行口并行口2（LPT2）串行口串行口2（COM2）实验卡（原型卡）实验卡（原型卡）保留保留分类 地址范围（H） I/O设备（端口） I/O 通 道378 37F380 38F3A03AF3B0 3BF3C0 3CF 3D0 3DF3F0 3F73F8 3FF并行打印机口并行打印机口1（LPT1）SDLC,双同步通信口双同步通信口2双同步通信口双同步通信口1单显单显/打印机适配器打印机适配器保留保留彩色彩色/图形监视器适配器图形监视器适配器软磁盘控制器软磁盘控制器串行口串行口1（COM1）分类 地址范围（H） I/O设备