第五章 输入、输出及接口技术

1、 第一节第一节 i/o接口概述接口概述 第二节第二节 i/o接口的基本功能接口的基本功能 第三节第三节 CPU与与i/o接口的数据传输方式接口的数据传输方式 第四节第四节 i/o端口地址译码技术端口地址译码技术 第五节第五节 i/o端口地址分配端口地址分配 第六节第六节 接口硬件设计方法接口硬件设计方法 第五章 输入/输出与接口技术 5.1 i/o接口概述接口概述什么是输入/输出设备？ 计算机有各种用途，但不论用于何种场合，都离不开信息处理。所处理的信息，均要由输入设备提供，而处理后的结果数据，则要送给输出设备，以各种形式报告给用户。例如，键盘、鼠标器、磁盘和扫描仪等是大家熟悉的输入设备，而磁

2、盘、CRT显示器、打印机、X-Y绘图仪等则是最常见的输出设备。亦即能够完成输入/输出操作的设备就叫输入/输出设备，简称外设或I/O设备。 输入/输出设备与CPU信息交换时有什么问题？ 外部设备种类繁多，从工作原理来讲，可分为机械式、电动式、电子式和其它形式等几类。它们对所传输的信息的要求也各不相同，这就给计算机和外设之间的信息交换带来以下一些问题：(1)速度不匹配：CPU的速度很高，而外设的速度要低得多，而且不同的外设速度差异甚大，它们之中既有每秒钟能传送兆位数量级的硬磁盘，也有每秒钟只能打印百位字符的串行打印机或速度更慢的键盘。(2)信号电平不匹配：CPU所使用的信号都是TTL电平，而外设大

3、多是复杂的机电设备，往往不能用TTL电平所驱动，必须有自己的电源系统和信号电平。(3)信号格式不匹配：CPU系统总线上传送的通常是8位、16位或32位的并行数据，而各种外设使用的信息格式各不相同。有些设备上用的是模拟量，而有些是数字量或开关量；有些设备上的信息是电流量，而有些却是电压量，有些设备采用串行方式传送数据，而有些则用并行方式。(4)时序不匹配：各种外设都有自己的定时和控制逻辑，与计算机的CPU时序不一致。什么是输入/输出接口？ 因此，要实现外部设备与主机之间的连接(connection)和信息交换，必须经过一个数据转换和传输的设备。这种设备，我们叫做I/O接口(interface)。

4、5.2 i/o接口的基本功能接口的基本功能n为了使为了使CPU能适应各种各样的外设，就需能适应各种各样的外设，就需要在要在CPU与外设之间增加一个接口电路，与外设之间增加一个接口电路，由它完成相应的信号转换、速度匹配、数由它完成相应的信号转换、速度匹配、数据缓冲等功能，以实现据缓冲等功能，以实现CPU与外设的连接，与外设的连接，完成相应的输入输出操作。完成相应的输入输出操作。n一个接口的基本作用是在系统总线和一个接口的基本作用是在系统总线和I/O设设备之间架起一座桥梁，以实现备之间架起一座桥梁，以实现CPU与与I/O设设备之间的信息传输。备之间的信息传输。 5.2.1接口的功能：接口的功能：寻

5、址功能寻址功能识别是否是识别是否是I/O口的操作信号，识别是否为端口的片选信口的操作信号，识别是否为端口的片选信号，识别是芯片的哪个寄存器被访问。号，识别是芯片的哪个寄存器被访问。2) 输入输入/输出功能输出功能根据根据CPU通过控制总线送来的读写信号决定是输入操作通过控制总线送来的读写信号决定是输入操作还是输出操作。还是输出操作。3) 可编程功能可编程功能1)有些接口具有可编程特性，可以通过指令设定接口的工有些接口具有可编程特性，可以通过指令设定接口的工作方式，工作参数，以满足不同外设的要求。作方式，工作参数，以满足不同外设的要求。4) 数据转换功能数据转换功能当外设提供的数据形式不是当外设

6、提供的数据形式不是CPU能直接接受的形式时，则能直接接受的形式时，则通过接口转换成通过接口转换成CPU可接受的形式。如可接受的形式。如A/D，串串/并转换等，并转换等，反之也一样。反之也一样。5) 联络功能联络功能当当CPU要访问外设时，首先要查询外设状态，能否接受访要访问外设时，首先要查询外设状态，能否接受访问，接口应将外设状态准备好，供问，接口应将外设状态准备好，供CPU查询；或向查询；或向CPU发特定的信号通知外设已准备好。发特定的信号通知外设已准备好。6) 数据缓冲功能数据缓冲功能主机与外设速度相差很大，为了防止数据丢失，主机与外设速度相差很大，为了防止数据丢失，I/O接口接口均设有双

7、向数据缓冲器。均设有双向数据缓冲器。7) 中断管理功能中断管理功能有专门的中断管理接口，能完成中断判优、中断屏蔽，向有专门的中断管理接口，能完成中断判优、中断屏蔽，向CPU送入中断类型码等功能。送入中断类型码等功能。8) 错误检测功能错误检测功能多数可编程芯片都能自动检测出传输过程中出现的错误。多数可编程芯片都能自动检测出传输过程中出现的错误。传输错误，如串口中的奇偶校验传输错误，如串口中的奇偶校验覆盖错误覆盖错误9) 复位功能复位功能能接受主机的复位信号，使系统重新启动。能接受主机的复位信号，使系统重新启动。10) 时序控制功能时序控制功能接口电路具有自己的时钟，以满足外设在时序方面的要求。

8、接口电路具有自己的时钟，以满足外设在时序方面的要求。5.2.2接口的组成：接口的组成： 尽管不同功能的接口实际电路差别很大，但逻辑上都包括控制部件、状态寄存器、数据寄存器与缓冲电路等,如下图5.3 CPU与与i/o端口的数据传输方式端口的数据传输方式 在计算机的操作过程中，最基本的最大量的操作是数据传送。在微机系统中，数据主要在CPU、存储器和I/O接口之间传送，在数据传送过程中，关键问题是数据传送的控制方式，微机系统中的数据传送的控制方式主要有软件传送方式(程序控制方式)和硬件传送方式(主要是DMA直接存储器存取)方式。其中，程序控制方式又包括：无条件传送方式、查询传送方式和中断传送方式。无

9、条件传送方式 无条件传送方式也称为同步传送方式，主要用于对简单外设进行操作，或者外设的定时是固定的或已知的场合。也就是说，这类外设在任何时刻均已准备好数据或处于接收数据状态，或者在某些固定时刻，它们处在数据就绪或准备接收状态，因此程序可以不必检查外设的状态，而在需要进行输入或输出操作时，直接执行输入输出指令。 无条件传送方式一般用于控制CPU与低速接口之间的信息交换.例如开关、温度、压力流量等(A/D)转换器。由于这些信号变换缓慢，当需要采集这些数据时，外设已经将数据准备就绪了，因此无需检查端口的状态，就可以立即采集数据。由于数据保持时间相对于CPU的处理时间长得多，故输入端可直接用输入缓冲器

10、与CPU的数据总线相连。若外设是输出设备，一般要求接口有锁存能力，也就是CPU送给外设的数据应该在接口中保持一段时间，其原因是外设的速度较慢，所以要求CPU送到接口的数据能保持到外设动作相适应的时间。无条件传送方式【例5-1】图中外设是简单的发光二极管。此外设的接口是用锁存器来实现的。锁存器在打入脉冲CP上升沿将输入端D的数据锁存在它的输出Q端。编写点亮二极管的程序。 （端口地址为0000H） MOVAL,81HMOVDX,0000H;送端口地址送端口地址OUTDX,AL ;点亮发光二极管点亮发光二极管无条件传送方式【例6-2】类似于例6-1中，让接在Q0Q7上的二极管自上而下轮流点亮3s，编

11、写程序实现。MOVAL,01H;使Q0为1，LED0先亮 MOV DX,0000HLOP:OUTDX,AL;将信息送0000H端口CALLDELAY;调用延时3S子程序ROLAL,1;小循环左移1位JMPLOP;循环点亮LED查询传送方式 查询传送方式 查询传送方式 查询传送方式 【例6-3】现欲将8000H为首地址的顺序100个单元的数据，利用查询方式输出到外设。外设经输入输出接口与8086的系统总线连接。CPU通过三态接口(74LS244)可以查询外设的状态，而且当外设状态信号=1时，可以接收CPU由锁存器(74LS273)输出的数据。=0时，表示外设处于忙状态，不能接收数据。（两个端口地

12、址都是00FFH） 查询传送方式START: MOVAX,4000HMOVDS,AXMOVSI,8000HMOVCX,100GOON:MOVDX,00FFHWAIT:INAL,DXANDAL,01HJZWAITMOVAL,SIOUTDX,ALINCSILOOPGOONRET 查询传送方式当系统中有多个外设时查询方式如何工作？ 由图可见，CPU逐个外设进行查询。若发现那个外设准备就绪，就对该外设实施数据传送。然后再对下一外设查询，依次循环。结果，在查询过程中，CPU不能做别的事情，这就大大降低了CPU的效率。而且，假如某一外设刚好在查询过后处于就绪状态，那么它必须等到CPU查询完所有外设，再次查

13、询此外设时才能发现它处于就绪状态，而后对此外设服务。这样就不能对外设进行实时数据交换，这对许多实时性要求较高的外设来说，就有可能丢失数据。查询传送方式n优点：接口电路和程序设计都较为简单，容易实现。n缺点：CPU外设不能并行工作，CPU的效率低，外设得不到及时响应。n适用场合：这种传送方式适用于一般工作速度较慢的外设，特别是外设数量不多，实时性要求不高的场合。 中断传送方式 中断传送方式会在每次外设准备好或空闲时，主动向CPU发出中断请求，以示要传送数据，CPU响应该请求后，执行中断服务程序，实现与外设的数据传送。其工作过程简述如下： 暂停主程序，实现程序的转移，即中断响应； 保护和恢复有关寄

14、存器的内容； 执行I/O操作，并实现内存累加器端口之间的传送； 实现中断返回。 中断传送方式 CPU数据缓冲器数据锁存器输入设备D70D70D70地址译码电路地址线INTRCPU数据锁存器输出设备D70D70地址译码电路地址线中断输出方式中断输入方式准备好准备好中断传送方式n优点：系统的工作效率高，CPU、I/O设备可以并行工作，外设可以主动向CPU请求，能够得到CPU的及时响应。n缺点：每次传送数据，CPU都要做许多额外的工作，传送速度仍然不是很快。n适用场合：这种方式适用于一般工作速度不是很快的外设，特别是实时控制、检测场合。 DMA(Direct Memory Access)控制方式 中

15、断控制的I/O虽然克服了查询方式I/O的缺点，能够快速响应I/O传送的请求，但是I/O设备的服务仍然是由软件实现，为完成一个字节(字)的数据传送，CPU必须执行很多额外的工作。当要求快速进行数据传送的场合，执行上述过程已无法满足系统实时性的要求。这时可以采用直接存储器存取，由DMA控制器实现外设存储器间的直接传送。 采用DMA方式传送数据时，需要一块专门的硬件电路(通常叫DMA控制器)对整个数据传送过程进行管理。这种控制器能给出访问内存所需要的地址信息，并能自动修改地址指针，也能设定和修改传送的字节数，还能向存储器和外设发出相应的读/写控制信号。在DMA传送结束后，它能释放总线，把对总线的控制

16、权又交还给CPU。因此采用DMA方式传输数据时，不需要进行保护和恢复断点及现场之类的额外操作，一旦进入DMA操作，就可直接在硬件的控制下快速完成一批数据的交换任务，数据传送的速度基本上取决于外设和存储器的存取速度。DMA(Direct Memory Access)控制方式 5.4 i/o端口地址译码技术端口地址译码技术 I/O接口与接口与I/O端口之间的端口之间的关系关系：I/O端口（端口（I/O口）口）：是指：是指I/O接口中带有端口地址的寄存接口中带有端口地址的寄存器或缓冲器器或缓冲器I/O接口接口：是指：是指CPU和外设间的和外设间的I/O接口芯片接口芯片二者之间关系二者之间关系： CP

17、U通过端口地址对端口中信息进行读写，但不通过端口地址对端口中信息进行读写，但不能直接通过接口读写信息，需要借助于接口中的端口能直接通过接口读写信息，需要借助于接口中的端口地址地址 一个外设通常需要一个一个外设通常需要一个I/O接口，但一个接口，但一个I/O接口可接口可以有多个以有多个I/O端口端口二、I/O端口的编址方式 统一编址：统一编址：I/O地址占用存储器的地址空间，访问M的指令 都能访问I/O，不需专用的I/O操作指令。 FFFFFH00000H0FFFFH10000HI/O接口片选信号产生电路I/O片选A15-A0存储器片选信号产生电路存储器片选A19-A0A16=1独立编址独立编址 ：I/O地址独立，不占用M的