微机系统及其接口技术：第5章-1 基本输入输出接口

1、第第5章章-1 基本输入输出接口基本输入输出接口教学重点教学重点:n I/O接口电路的典型结构接口电路的典型结构n 无条件传送方式无条件传送方式n 查询传送方式查询传送方式n 中断工作过程中断工作过程5.1 I/O接口概述接口概述为什么需要为什么需要I/O接口（电路）？接口（电路）？n微机的外部设备多种多样；微机的外部设备多种多样；n工作原理、驱动方式、信息格式以及工工作原理、驱动方式、信息格式以及工作速度方面彼此差别很大；作速度方面彼此差别很大；n它们不能与它们不能与CPU直接相连直接相连；n必须经过必须经过中间电路中间电路再与系统相连；再与系统相连；n这部分电路被称为这部分电路被称为I/O

2、接口电路接口电路。多种外设多种外设5.1 I/O接口概述接口概述（续（续1）什么是什么是I/O接口（电路）？接口（电路）？nI/O接口是位于系统与外设间，用来协助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完成数据传送和控制任务的逻辑电路逻辑电路nPC机系统板的可编程接口芯片、机系统板的可编程接口芯片、I/O总总线槽的电路板（适配器）都是接口电路线槽的电路板（适配器）都是接口电路5.1 I/O接口概述接口概述（续（续2）什么是微机接口技术？什么是微机接口技术？n处理微机系统与外设间联系的技术；处理微机系统与外设间联系的技术；n注意其注意其软硬结合软硬结合的特点；的特点；n根据应用系

3、统的需要，使用和构造相应根据应用系统的需要，使用和构造相应的的接口电路接口电路，编制配套的，编制配套的接口程序接口程序，支，支持和连接持和连接有关的设备有关的设备。PS2鼠标鼠标PS2键盘键盘千兆网千兆网10/100M网卡网卡USB并行口并行口MIDI/游戏接口游戏接口显示器接口显示器接口13941394a音箱音箱/线入接线入接口口/麦克风麦克风串行口串行口5.1.1 I/O接口的主要功能接口的主要功能 对输入输出数据进行缓冲和锁存；对输入输出数据进行缓冲和锁存；输出接口有输出接口有锁存环节锁存环节；输入接口有输入接口有缓冲环节缓冲环节； 对信号的形式和数据的格式进行变换对信号的形式和数据的格

4、式进行变换微机直接处理：微机直接处理：数字量数字量、开关量开关量、脉冲量；脉冲量； 对对I/O端口进行寻址；端口进行寻址； 与与CPU和和I/O设备进行联络。设备进行联络。5.1.2 I/O接口的典型结构接口的典型结构1. 接口电路的内部结构接口电路的内部结构2. 接口电路的外部特性接口电路的外部特性3. 接口电路芯片的分类接口电路芯片的分类4. 接口电路的可编程性接口电路的可编程性1. 接口电路的内部结构nCPU与外设主要有与外设主要有数据数据、状态状态和和控制控制信息信息需要相互交换，于是从应用角度看内部：需要相互交换，于是从应用角度看内部： 数据寄存器数据寄存器n保存外设给保存外设给CP

5、U和和CPU发往外设的数据发往外设的数据 状态寄存器状态寄存器n保存外设或接口电路的状态保存外设或接口电路的状态 控制寄存器控制寄存器n保存保存CPU给外设或接口电路的命令给外设或接口电路的命令理解端口理解端口2. 接口电路的外部特性n主要体现在引脚上，分成两侧信号主要体现在引脚上，分成两侧信号面向面向CPU一侧的信号：一侧的信号：n用于与用于与CPU连接连接n主要是数据、地址和控制信号主要是数据、地址和控制信号面向外设一侧的信号：面向外设一侧的信号：n用于与外设连接用于与外设连接n提供的信号五花八门提供的信号五花八门n功能定义、时序及有效电平等差异较大功能定义、时序及有效电平等差异较大3.

6、接口电路芯片的分类n接口电路核心部分往往是一块或数块大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（规模集成电路芯片（接口芯片接口芯片）：）：n通用接口芯片通用接口芯片n支持通用的数据输入输出和控制的接口芯片支持通用的数据输入输出和控制的接口芯片n面向外设的专用接口芯片面向外设的专用接口芯片n针对某种外设设计、与该种外设接口针对某种外设设计、与该种外设接口n 面向微机系统的专用接口芯片面向微机系统的专用接口芯片n与与CPU和系统配套使用，以增强其总体功能和系统配套使用，以增强其总体功能4. 接口电路的可编程性n许多接口电路具有多种功能和工作方式，许多接口电路具有多种功能和工作方式，可以通

7、过编程的方法选定可以通过编程的方法选定其中一种其中一种；n接口需要进行物理连接，还需要编写接口需要进行物理连接，还需要编写接接口软件口软件；n接口软件有两类：接口软件有两类：n初始化程序段初始化程序段设定芯片工作方式等；设定芯片工作方式等；n数据交换程序段数据交换程序段管理、控制、驱动外设，管理、控制、驱动外设，负责外设和系统间信息交换。负责外设和系统间信息交换。5.1.3 I/O端口的编址接口电路占用的接口电路占用的I/O端口有两类编排形式端口有两类编排形式nI/O端口单独编址端口单独编址nI/O地址空间独立于存储地址空间；地址空间独立于存储地址空间；n如如8086/8088；nI/O端口与

8、存储器统一编址端口与存储器统一编址n它们共享一个地址空间；它们共享一个地址空间；n如如M6800。I/O端口单独编址n优点：优点：nI/O端口的地址空间独立端口的地址空间独立n控制和地址译码电路相对简单控制和地址译码电路相对简单n专门的专门的I/O指令使程序清晰易读指令使程序清晰易读n缺点：缺点：nI/O指令没有存储器指令丰富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n优点：优点：n不需要专门的不需要专门的I/O指令指令nI/O数据存取与存储器数数据存取与存储器数据存取一样灵活据存取一样灵

9、活n缺点：缺点：nI/O端口要占去部分存储端口要占去部分存储器地址空间器地址空间n程序不易阅读（不易分程序不易阅读（不易分清访存和访问外设）清访存和访问外设）内存内存部分部分I/O部分部分存储器空间存储器空间00000FFFFF5.1.4 8088/8086的输入输出指令的输入输出指令n输入指令输入指令IN AL, i8/DX;字节输入字节输入IN AX, i8/DX;字输入字输入n输出指令输出指令OUT i8/DX, AL;字节输出字节输出OUT i8/DX, AX;字输出字输出功能演示功能演示功能演示功能演示5.1.5 I/O地址的译码nI/O地址的译码方法与存储器地址的译码地址的译码方法

10、与存储器地址的译码方法一方法一样样，但有它的特点：，但有它的特点：n部分译码时，通常是部分译码时，通常是中间地址线不连接中间地址线不连接n部分译码也有部分译码也有最低地址线不连接的情况最低地址线不连接的情况n每个接口电路通常只占用几个每个接口电路通常只占用几个I/O地址，这时可以利地址，这时可以利用基本逻辑门电路进行地址译码用基本逻辑门电路进行地址译码n除采用译码器、门电路进行译码外，除采用译码器、门电路进行译码外，I/O地址译码还地址译码还经常采用可编程逻辑器件经常采用可编程逻辑器件PLDn为了给系统一定的选择余地，有些接口电路利用比为了给系统一定的选择余地，有些接口电路利用比较器、开关或跨

11、接器等进行多组较器、开关或跨接器等进行多组I/O地址的译码地址的译码给几个给几个译码实例译码实例IBM PC/XT主机板的I/O译码电路逻辑门电路进行I/O地址译码利用门控电路和译码器218H利用门控电路和译码器【问问1】 Y2 Y7 译出的端口地址各是多少？译出的端口地址各是多少？【问问2】将将A0与与A2位置互换位置互换Y1Y7 译出的端口译出的端口地址各是多少？地址各是多少？【答答1】Y2Y7译出的端口地址分别是译出的端口地址分别是219H21FH。【答答2】将将A0与与A2位置互换位置互换Y1 Y7译出的端译出的端口地址分别是口地址分别是218H、21CH、21AH、21EH、219H

12、、21DH、21BH和和21FH。5.1.6 数据传送方式数据传送方式n程序控制下的数据传送程序控制下的数据传送通过通过CPU执行程序执行程序中的中的I/O指令来完成传送，又分为：指令来完成传送，又分为：无条件传送无条件传送、查询传送查询传送、中断传送中断传送n直接存储器存取（直接存储器存取（DMA）传送请求由外设传送请求由外设向向DMA控制器（控制器（DMAC）提出，后者向）提出，后者向CPU申请总线，最后申请总线，最后DMAC利用系统总线来完成外利用系统总线来完成外设和存储器间的数据传送设和存储器间的数据传送nI/O处理机处理机CPU委托专门的委托专门的I/O处理机来管处理机来管理外设，完

13、成传送和相应的数据处理理外设，完成传送和相应的数据处理5.2 无条件传送方式及其接口无条件传送方式及其接口n在在CPU与慢速变化的设备交换数据时，与慢速变化的设备交换数据时，可以认为它们总是处于可以认为它们总是处于“就绪就绪”状态，状态，随时可以进行数据传送，这就是无条件随时可以进行数据传送，这就是无条件传送，或称立即传送、同步传送传送，或称立即传送、同步传送n适合于简单设备，如适合于简单设备，如LED数码管、按键数码管、按键或按纽等或按纽等n无条件传送的接口和操作均十分简单无条件传送的接口和操作均十分简单n这种传送有前提：外设必须随时就绪这种传送有前提：外设必须随时就绪传送流程传送流程无条件

14、传送：输入示例无条件传送：输出示例简单输入接口举例MOVDX,218HINAL,DX简单输出接口举例MOVDX,219HOUTDX,AL5.3 查询传送方式及其接口查询传送方式及其接口nCPU需要选了解（查询）外设的工作状需要选了解（查询）外设的工作状态，然后在外设可以交换信息的情况下态，然后在外设可以交换信息的情况下（就绪就绪）实现数据输入或输出）实现数据输入或输出n对多个外设的情况，则对多个外设的情况，则CPU按一定顺序按一定顺序依次查询（轮询）。先查询的外设将优依次查询（轮询）。先查询的外设将优先进行数据交换先进行数据交换n查询传送的特点是：查询传送的特点是：工作可靠，适用面工作可靠，适

15、用面宽，但传送效率低宽，但传送效率低就绪？就绪？查询传送的两个环节 查询环节查询环节n寻址状态口寻址状态口n读取状态寄存器的标志位读取状态寄存器的标志位n若不就绪就继续查询，直至就绪若不就绪就继续查询，直至就绪 传送环节传送环节n寻址数据口寻址数据口n是输入，通过输入指令从数据端口读入数据是输入，通过输入指令从数据端口读入数据n是输出，通过输出指令向数据端口输出数据是输出，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传送流程传送流程接口实例接口实例5.3.1 查询输入接口电路查询输入接口电路MOV DX, 8000H ;DX指向状态端口指向状态端口status

16、: IN AL, DX ;读状态端口读状态端口TEST AL,01H ;测试标志位测试标志位D0JZ status ;D00，未就绪，继续查询，未就绪，继续查询INC DX ;D01，就绪，就绪，DX指向数据端口指向数据端口IN AL, DX ;从数据端口输入数据从数据端口输入数据查询输入接口电路举例查询输入接口电路举例要求要求CS0*、CS1*的一组地址分别为的一组地址分别为3A0H和和3A4H，完成译码电路，完成译码电路设计；设计；简述电路的简述电路的工作原理；工作原理；说 明 图 中说 明 图 中AEN信号与信号与IOR*信号的信号的作用。作用。5.3.2 查询输出接口电路查询输出接口电

17、路MOV DX, 8000H ;DX指向状态端口指向状态端口status: IN AL, DX ;读取状态端口的状态数据读取状态端口的状态数据TEST AL, 80H ;测试标志位测试标志位D7, 80H=10000000BJNZ status ;D71, 未就绪，继续查询未就绪，继续查询INC DX ;D70, 就绪就绪, DX指向数据端口指向数据端口MOV AL, BUF ;变量变量buf送送ALOUT DX, AL ;将数据输出给数据端口将数据输出给数据端口5.4 中断传送方式中断传送方式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

18、执行返回断点返回断点nCPU在执行程序中，被内部或外部在执行程序中，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，继续执行后，又返回原来的断点，继续执行原来的程序原来的程序传送流程传送流程5.4.1 中断传送与接口中断传送与接口n中断传送是一种效率更高的程序传送方式；中断传送是一种效率更高的程序传送方式；n进行传送的中断服务程序是进行传送的中断服务程序是预先设计好的预先设计好的；n中断请求是外设随机向中断请求是外设随机向CPU提出的；提出的；nCPU对请求的检测是有规律的：对请求的检测是

19、有规律的：一般是在每条指一般是在每条指令的令的最后一个时钟周期最后一个时钟周期采样中断请求输入引脚；采样中断请求输入引脚；n下面讨论中断在输入和输出方面的应用；下面讨论中断在输入和输出方面的应用；n中断还有着非常广泛的应用，以后将详细介绍。中断还有着非常广泛的应用，以后将详细介绍。5.4.1 中断传送与接口中断传送与接口5.4.2 中断工作过程中断工作过程n中断请求中断请求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中

20、断源的识别中断源的识别5.4.3 中断优先权中断优先权问题问题1：系统有多个中断请求，系统有多个中断请求，CPU如何识别中断源？如何识别中断源？解答解答1：向量中断向量中断解答解答2：中断查询中断查询中断查询接口中断优先权排队中断优先权排队5.4.3 中断优先权中断优先权（续（续1）问题问题2：有多个中断同时请求，有多个中断同时请求，CPU如何应对？如何应对？解答解答1：链式优先权排队电路链式优先权排队电路解答解答2：优先权编码电路优先权编码电路链式中断优先权排队电路中断优先权编码电路比较器失效信号比较器失效信号中断嵌套中断嵌套5.4.3 中断优先权中断优先权（续（续2）问题问题3：中断处理过

21、程中，中断处理过程中，又有中断提出请求，怎么办？又有中断提出请求，怎么办？解答解答1：链式优先权排队电路链式优先权排队电路解答解答2：优先权编码电路优先权编码电路n希望克服程序控制传送的不足：希望克服程序控制传送的不足：外设外设CPU存储器存储器外设外设CPU存储器存储器n直接存储器存取直接存储器存取DMA：外设外设存储器存储器外设外设存储器存储器nCPU释放总线，由释放总线，由DMA控制器管理。控制器管理。5.5 DMA传送方式传送方式DMA传送的工作过程传送的工作过程 CPU对对DMA控制器进行初始化设置控制器进行初始化设置 外设、外设、DMAC和和CPU三者通过应答信号三者通过应答信号建

22、立联系：建立联系：CPU将总线交给将总线交给DMAC控制控制 DMA传送传送nDMA读存储器：存储器读存储器：存储器 外设外设nDMA写存储器：存储器写存储器：存储器 外设外设 自动增减地址和计数，判断传送完成否自动增减地址和计数，判断传送完成否传送流程传送流程DMA传送流程小结传送方式的比较n无条件传送无条件传送：慢速外设需与：慢速外设需与CPU保持同步；保持同步；n查询传送查询传送： 简单实用，效率较低；简单实用，效率较低；n中断传送中断传送：外设主动，可与：外设主动，可与CPU并行工作，并行工作，但每次传送需要大量额外时间开销但每次传送需要大量额外时间开销 ； nDMA传送传送：DMAC控制，外设直接和存储控制，外设直接和存储器进行数据传送，适合大量、快速数据传器进行数据传送，适合大量、快速数据传送。送。多种多样的外设多种多样的外设n工作原理不同工作原理不同机械、电子、机电、电磁机械、电子、机电、电磁n传送信息类型多样传送信息类型多样数字量、模拟量、开关量数字量、模拟量、开关量n传送速度差别极大传送速度差别极大n传送方式不尽相同传送方式不尽相同串行、并行串行、并行n编码方式不同编码方式不同二进制、二进制、BCD码、码、ASCII码码输出接口的锁存环节内内部部数数据据总总线线外