第8章输入输出接口基础与总线0518

1、微型计算机原理与应用1输入输出接口基础与总线微型计算机原理与应用21.1.概述概述外部设备分类：外部设备分类：(1)(1)外部设备及其信号外部设备及其信号主机主机接口接口外部外部设备设备输入输出接口输入输出接口外部设备的信号外部设备的信号按工作原理分为：机械式、电动式、电子式及其它形式。按工作原理分为：机械式、电动式、电子式及其它形式。按数据传输方向分为：输入设备、输出设备、按数据传输方向分为：输入设备、输出设备、I/OI/O复合设备。复合设备。数据信号、状态信号和控制信号。数据信号、状态信号和控制信号。微型计算机原理与应用31.1.概述概述数据信号数据信号数字量：数字量：以以二进制二进制形式

2、表示的数据、图形或文字信息。形式表示的数据、图形或文字信息。 模拟量：模拟量：以以连续连续形态出现的物理量。形态出现的物理量。开关量：开关量：只有两种状态（只有两种状态（0 0，1 1）的量。）的量。脉冲量：脉冲量：具有具有上升和下降上升和下降沿沿特征的信号。特征的信号。状态信号状态信号作用：作用：指示外部设备当前的工作状态，协调指示外部设备当前的工作状态，协调CPUCPU与外部设备之间与外部设备之间 的操作。的操作。控制信号控制信号作用：作用： CPUCPU向外设发出的命令。向外设发出的命令。 微型计算机原理与应用4解决解决CPUCPU与外设之间速度不匹配问题与外设之间速度不匹配问题(2)(

3、2)输输入输出接口的功能入输出接口的功能实现信号电平的转换实现信号电平的转换实现信号格式的转换实现信号格式的转换实现实现CPUCPU与外设之间同步工作与外设之间同步工作实现实现CPUCPU对端口的选择对端口的选择包括：模数与数模转换包括：模数与数模转换; ;开关量转换：开关转为开关量转换：开关转为1 1和和0;0;并行并行串行转换串行转换通过地址译码，同一时刻选择其中某一个端口。通过地址译码，同一时刻选择其中某一个端口。一般采用时序控制电路使一般采用时序控制电路使CPUCPU和外设同步。和外设同步。如如TTLTTL电平、电平、232232电平等。电平等。CPUCPU的高速度，外设的低速度，通过

4、锁存器、缓冲器匹配。的高速度，外设的低速度，通过锁存器、缓冲器匹配。微型计算机原理与应用52. CPU2. CPU与端口之间的接口技术与端口之间的接口技术(1) (1) 最最常用的简单输入输出接口芯片常用的简单输入输出接口芯片主要有主要有、和和。单向缓冲器单向缓冲器 74LS24474LS244：8 8路数据单向或两个路数据单向或两个4 4路单向缓冲器。路单向缓冲器。双向缓冲器双向缓冲器 74LS245 74LS245：8 8路数据双向缓冲器。路数据双向缓冲器。 锁存器锁存器 译码器译码器 74LS373 74LS373：8 8位锁存，位锁存，D D触发器。触发器。 74LS138 74LS1

5、38：3 3进进8 8出。出。微型计算机原理与应用6微型计算机原理与应用7微型计算机原理与应用82. CPU2. CPU与端口之间的接口技术与端口之间的接口技术(2)(2)端口的编址方式端口的编址方式端口端口 接口内部通常设置有若干个寄存器，用来暂存接口内部通常设置有若干个寄存器，用来暂存CPUCPU和外设之和外设之间传输的数据、状态和命令，这些寄存器被称为端口。间传输的数据、状态和命令，这些寄存器被称为端口。 端口分端口分3 3种：种：数据端口、命令端口和状态端口。数据端口、命令端口和状态端口。微型计算机原理与应用9外设通过接口与系统连接示意图：外设通过接口与系统连接示意图：数据输入寄存器数

6、据输入寄存器数据输出寄存器数据输出寄存器控制寄存器控制寄存器状态寄存器状态寄存器外部输入或输出设备外部输入或输出设备数据线数据线数据线数据线数据线数据线DBDB CBCB ABAB 接口微型计算机原理与应用10CPUCPU对外部设备的操作对外部设备的操作任任 务务具体操作具体操作状态信息的获取状态信息的获取CPUCPU对状态端口进行一次对状态端口进行一次读读操作，获得与这个接操作，获得与这个接口相连接的外部设备的状态信息口相连接的外部设备的状态信息数据的输入输出数据的输入输出CPUCPU对数据端口进行一次对数据端口进行一次读或写读或写操作，可实现与操作，可实现与该外部设备进行一次数据传输该外部

7、设备进行一次数据传输控制命令的输出控制命令的输出CPUCPU把控制代码把控制代码写写入命令端口，可实现对该外部入命令端口，可实现对该外部设备发出一个控制命令设备发出一个控制命令微型计算机原理与应用11 I/OI/O端口的寻址方法端口的寻址方法 I/OI/O端口的编址方式有两种：端口的编址方式有两种：统一编址方式统一编址方式和和独立编址方式独立编址方式。 优点：优点： 简化了指令系统的设计，在微处理器指令集中不必包含简化了指令系统的设计，在微处理器指令集中不必包含I/O I/O 操作指令；操作指令； 访问访问I/OI/O设备的指令类型多、功能强，能用访问存储器指令设备的指令类型多、功能强，能用访

8、问存储器指令, ,对对 I/OI/O设设备进行方便、灵活的操作；备进行方便、灵活的操作； I/O I/O地址空间可大可小，能根据实际系统上的外设数目来调整。地址空间可大可小，能根据实际系统上的外设数目来调整。统一编址方式统一编址方式缺点：缺点： I/O I/O端口占用了存储单元的地址空间端口占用了存储单元的地址空间 I/OI/O译码电路变得较复杂译码电路变得较复杂 访问存储器的指令一般要比较长，延长了输入输出操作时间。访问存储器的指令一般要比较长，延长了输入输出操作时间。微型计算机原理与应用12优点：优点： 可读性好，输入输出指令和访问存储器的指令有明显的区别，使程序可读性好，输入输出指令和访

9、问存储器的指令有明显的区别，使程序清晰；清晰； I/O I/O指令长度短，执行的速度快，占用内存空间少；指令长度短，执行的速度快，占用内存空间少； I/O I/O地址译码电路较简单。地址译码电路较简单。独立编址方式独立编址方式缺点：缺点： CPU CPU指令系统中必须有专门的指令系统中必须有专门的ININ和和OUTOUT指令，而且这些指令的功能没有指令，而且这些指令的功能没有访问存储器的指令强。访问存储器的指令强。微型计算机原理与应用132. CPU2. CPU与端口之间的接口技术与端口之间的接口技术(3)(3)端口与端口与CPUCPU之间的接口之间的接口简单简单I/OI/O接口的组成接口的组

10、成 简单简单I/OI/O接口的组成：地址译码、数据锁存与缓冲器、状态接口的组成：地址译码、数据锁存与缓冲器、状态寄存器、命令寄存器等。寄存器、命令寄存器等。地址译码电路地址译码电路 地址译码电路是接口的重要组成部分。地址译码电路是接口的重要组成部分。 地址译码电路分为两个部分：地址译码电路分为两个部分：接口的选择接口的选择和和端口的选择端口的选择。微型计算机原理与应用14例例1 1 某接口有某接口有四个端口四个端口分别为数据端口分别为数据端口A A、数、数1414据端口据端口B B、数据端、数据端口口C C和控制端口。数据端口和控制端口。数据端口A A和数据端口和数据端口C C为输入口，数据端

11、口为输入口，数据端口B B和和控制端口为输出口，控制端口为输出口， 系统分配给接口的地址是系统分配给接口的地址是378H378H、379H379H、37AH37AH、37BH37BH。设系统为最小工作模式，试设计接口的译码电路。设系统为最小工作模式，试设计接口的译码电路。解：该接口共有四个端口地址，解：该接口共有四个端口地址，取地址码最低两位取地址码最低两位A1A1、A0A0作为作为接口内不同端口的选择接口内不同端口的选择，即：数据端口，即：数据端口A A、数据端口、数据端口B B、数据端、数据端口口C C和控制端口分别对应四种组合和控制端口分别对应四种组合0000、0101、1010、111

12、1，高高1414位地址位地址码译出本接口的选择地址码译出本接口的选择地址378H378H（也是数据端口（也是数据端口A A的地址）。的地址）。0 03 37 78 80 00 00 00 00 00 01 11 10 01 11 11 11 10 00 00 0A A1515A A1414A A1313A A1212A A1111A A1010A A9 9A A8 8A A7 7A A6 6A A5 5A A4 4A A3 3A A2 2A A1 1A A0 0微型计算机原理与应用15接口的译码电路接口的译码电路 G G2 2B BG G2 2B BM/IOM/IO& &A A

13、8 8A A6 6A A5 5A A4 4A A3 3A A9 9U U2 2G G1 1A A2 2A A1 1A A0 0C CB BA AU U3 3Y Y0 0Y Y1 1Y Y2 2Y Y3 3A A121211A A1515A A1414A A1313A A1111A A1010U U1 1A A7 7微型计算机原理与应用168086 CPU8086 CPU与端口之间的硬件接口与端口之间的硬件接口 8086CPU8086CPU的数据总线是的数据总线是1616的，而接口电路的芯片中的端口是的，而接口电路的芯片中的端口是8 8位位, ,硬件接口三种方法：硬件接口三种方法： 仅使用仅使用

14、8086CPU8086CPU偶地址的接口技术偶地址的接口技术微型计算机原理与应用17例例2 2设有某设有某8 8位位I/OI/O接口电路芯片，其内部有接口电路芯片，其内部有 4 4个可寻址的端口，个可寻址的端口，并已知该并已知该I/OI/O接口电路芯片的起始地址为接口电路芯片的起始地址为328H328H，仅使用，仅使用8086CPU8086CPU中中偶地址的接口技术，试求出该偶地址的接口技术，试求出该I IO O接口电路芯片的其余地址并设接口电路芯片的其余地址并设计出该接口电路。计出该接口电路。解：用解：用CPUCPU的二位地址线的二位地址线A2A2和和A1A1作为作为I IO O接口电路芯片

15、内部寻址，接口电路芯片内部寻址，其余地址线经译码后可求得该芯片的片选信号，与低其余地址线经译码后可求得该芯片的片选信号，与低8 8位地址线位地址线连接，连接，A0=0A0=0，译码地址应为，译码地址应为328H328H。其接口电路芯片内部的。其接口电路芯片内部的 4 4个个可寻址的端口地址应为可寻址的端口地址应为328H328H、32AH32AH、32CH32CH、32EH32EH。微型计算机原理与应用18仅使用仅使用8086CPU8086CPU偶地址的接口偶地址的接口: :IORCIORCIOWCIOWCD D0 0D D7 7A A0 0A A9 9低低8 8位系统数据总线位系统数据总线地

16、址地址译码器译码器& &1 1RDRDWR WR D D0 0 D D7 7 CSCSA A0 0A A1 1A A2 2A A0 0A A1 1CPUCPU接接口口电电路路微型计算机原理与应用19 仅使用仅使用8086CPU8086CPU奇地址的接口技术奇地址的接口技术 用用CPUCPU的二位地址线的二位地址线A2A2和和A1A1作为作为I IO O接口电路芯片内部寻址，接口电路芯片内部寻址，其余地址线经译码后可求得该芯片的片选信号，与其余地址线经译码后可求得该芯片的片选信号，与高高8 8位地址线位地址线连连接，接，A0=1A0=1，译码地址应为，译码地址应为329H329H

17、。其接口电路芯片内部的。其接口电路芯片内部的 4 4个可寻个可寻址的端口地址应为址的端口地址应为329H329H、32BH32BH、32DH32DH、32FH32FH。微型计算机原理与应用20 使用使用8086CPU8086CPU连续地址的接口技术连续地址的接口技术 D D1515 D D8 8D D0 0 D D7 7IORCIORCBHEBHEA A0 0 A A9 9地址地址译码器译码器 D D0 0 D D7 7 RDRDCSCSA A0 0A A1 1CPUCPUD D0 0 D D7 7 T TOEOEA AD D0 0 D D7 7 T TOEOEA A8286828682868

18、2868 88 81 1111 111接接口口电电路路微型计算机原理与应用213. CPU3. CPU与端口之间的数据传送方式与端口之间的数据传送方式三种方式：三种方式：程序控制传送方式、中断技术传送方式、程序控制传送方式、中断技术传送方式、DMADMA传送方式传送方式(1)(1)程序控制方式程序控制方式 程序控制传送方式程序控制传送方式-在程序控制下进行信息传送。在程序控制下进行信息传送。包括两种方式：包括两种方式：无条件传送无条件传送和和条件传送条件传送。微型计算机原理与应用221D1D2D2D1Q1Q2Q2Q74LS27374LS2738D8D8Q8QCLKCLKD D0 0D D1 1

19、D D7 7&M/IOM/IOCSCSWRWROUTOUT使三个信号使三个信号同时有效，同时有效，CLKCLK有效，则信息进有效，则信息进入同时输出控制入同时输出控制8 8个个LEDLED发光二极发光二极管亮和灭。管亮和灭。无条件传送无条件传送: :微型计算机原理与应用23条件传送条件传送: : （查询式传送（查询式传送 ）一个数据传送的过程软件必须由以下三个环节组成：一个数据传送的过程软件必须由以下三个环节组成： CPUCPU从状态端口中从状态端口中读取读取一个状态字。一个状态字。 CPUCPU检测检测状态字的某对应位是否满足状态字的某对应位是否满足“就绪就绪”的条件，如的条件，如果

20、不满足，则回到前一步重新读取状态字。果不满足，则回到前一步重新读取状态字。 如果状态字表明该外设已处于如果状态字表明该外设已处于“就绪就绪”状态，则进行数据状态，则进行数据 的传送。的传送。微型计算机原理与应用24查询方式下的输入接口查询方式下的输入接口M/IOM/IOA A1515A A0 0D D7 7D D0 0输入输入设备设备数数 据据锁存器锁存器(8(8位位) )数数 据据缓冲器缓冲器(8(8位位) )+5V+5VD DR RQ QC CRDRD( (读数据读数据) )RDRD( (读状态读状态) )I/OI/O译码译码ReadyReadyCSCS1 1CSCS2 2& &a

21、mp;2 2& &1 1三三态态缓缓冲冲器器输入接口硬件输入接口硬件 ：数据输入口和状态端口数据输入口和状态端口 译码选择译码选择微型计算机原理与应用25输入一数据输入一数据CPUCPU初始化初始化读入状态读入状态数据准备好数据准备好输入输入内存缓冲区内存缓冲区传送完传送完N NY YN NY Y结束结束开始开始输入接口软件输入接口软件 ：程序流程图程序流程图微型计算机原理与应用26例例3 3设某接口的状态端口地址为设某接口的状态端口地址为STATESTATE，状态位从，状态位从D7D7位输入，位输入，数据端口的地址为数据端口的地址为INPORTINPORT，输入数据的总字节数

22、为，输入数据的总字节数为INCOUNTINCOUNT，试编，试编制查询式输入数据的程序段。制查询式输入数据的程序段。 解：解： 设输入数据存放在内存单元的首地址为设输入数据存放在内存单元的首地址为BUFFBUFF MOV MOV SI, BUFFSI, BUFF MOVMOV CX, INCOUNTCX, INCOUNTINPUTINPUT：ININAL, STATEAL, STATE TESTTEST AL, 80HAL, 80H JZ JZ INPUTINPUT ININAL, INPORTAL, INPORT MOVMOV SI, ALSI, AL INC INC SISI LOOPLO

23、OP INPUTINPUT微型计算机原理与应用27M/IOM/IOA A1515A A0 0+5V+5VWRWR( (写数据写数据) )RDRD( (读状态读状态) )I/OI/O译码译码BUSYBUSYCSCS1 1CSCS2 2D D7 7-D-D0 0D D触发器触发器D D1 1( (数据总线数据总线) )选通信号选通信号输出输出设备设备数数 据据锁存器锁存器(8(8位位) )Q QR RC CD DACKACK& &2 2& &1 1查询方式下的输出接口查询方式下的输出接口输出接口硬件输出接口硬件：数据输出口和状态端口数据输出口和状态端口 译码选择译码

24、选择微型计算机原理与应用28初始化初始化读入状态读入状态忙否？忙否？输入一数据输入一数据外部外部传送完传送完N NY YY YN N结束结束开始开始输出接口软件输出接口软件 ：程序流程图程序流程图微型计算机原理与应用29例例4 4 设某接口的状态端口地址为设某接口的状态端口地址为STATESTATE，状态位从，状态位从D7D7位输入，位输入，数据端口的地址为数据端口的地址为OUTPORTOUTPORT，输出数据的总字节数为，输出数据的总字节数为OUTCOUNTOUTCOUNT，试，试编制查询式输出数据的程序段。编制查询式输出数据的程序段。解：设输出数据段在内存单元的首地址为解：设输出数据段在内

25、存单元的首地址为BUFFBUFF MOVMOV SI, BUFFSI, BUFF MOVMOV CX, OUTCOUNTCX, OUTCOUNTOUTPUTOUTPUT：ININ AL, STATEAL, STATE TESTTEST AL,80HAL,80H JZ JZ OUTPUTOUTPUT MOVMOV AL, SI AL, SI OUTOUT OUTPORT, ALOUTPORT, AL INCINC SISI LOOPLOOP OUTPUTOUTPUT微型计算机原理与应用30中断方式传送的输入接口：中断方式传送的输入接口：输输入入设设备备输输入入锁存锁存器器1 1C CP PU U

26、INTRINTRM/IOM/IOA A0 0A A1515D D0 0D D7 7IRIR5 5选通选通中断管理器中断管理器82598259输输入入缓冲缓冲器器地址地址译码译码(2)(2)中断技术传送方式中断技术传送方式查询方式：查询方式：实时性差实时性差,CPU,CPU效率低效率低微型计算机原理与应用31微型计算机原理与应用32微型计算机原理与应用33微型计算机原理与应用34(a) (a) 锁存器锁存器74LS37374LS373(b) (b) 译码器译码器74LS13874LS138D DC CQ Q(1)(1)1D1D1 O1 OD DC CQ Q(8)(8)8D8D8 O8 OOEOE G GY Y0 0Y Y1 1Y Y2 2Y Y3 3Y Y4 4Y Y5 5Y Y6 6Y Y7 7G G1 1y y0 0y y1 1y