微型计算机技术：第7章（输入输出）

1、1234I/O接口概述简单I/O接口芯片基本输入/输出方法可编程DMA控制器8237A第七章 输入/ 输出技术 I/O：计算机通过外围设备同外界交换信息的过程称为“输入/输出（Input/Output，I/O）”。I/O接口概述I/O接口：将CPU和外围设备连接起来实现信息交换的缓冲电路称为I/O接口（Interface）电路，简称“I/O接口”。 I/O接口的基本功能缓冲、隔离和锁存功能信息格式与电平转换功能信息交换的应答联络功能译码寻址外设功能基本原则：输入要缓冲、输出要锁存、输入/输出要隔离 I/O接口的基本结构地址总线（AB）、数据总线（DB）、控制总线（CB）数据（端）口数据寄存器：

2、数据信息状态（端）口状态寄存器：状态信息控制（端）口命令寄存器：控制信息CPU对外设的访问实际上是CPU对I/O接口电路中的相应端口（寄存器）进行访问。两种编址方式：独立编址：相对存储器而言，将存储器地址空间和I/O接口寄存器地址空间分开设置，互不影响。Intel系列。 I/O端口的编址方式独立编址方式的特点： 存储器和I/O接口各自拥有独立的地址空间，相互之间不交叉不重叠，地址空间得到充分利用。 存储器和I/O接口的读写控制逻辑相互独立，且I/O接口通常需要“选通”、“应答”等控制信号，而存储器接口并不需要，因而控制逻辑可以分别设计，硬件设计比较方便。 CPU的访内指令和访外指令不同，程序设

3、计非常清晰。 I/O端口的地址码较短(8位或16位)，译码电路比较简单，从而使IN/OUT指令的执行速度较快。 需要专用的访外指令，这些指令只能进行数据的输入输出，不能进行数据的运算，功能不如访内指令强大，程序设计的灵活性较差。统一编址：又称存储器映像编址，将所有I/O接口电路中的寄存器作为存储单元对待，并给每一个寄存器分配相应的存储器地址。这样，CPU访问外设就象访问存储器一样，所不同的仅是地址而已。MCS51系列，680X0系列，ARM系列等。统一编址方式的特点： 访问存储器的指令也可用于外设的输入/输出操作，因而对I/O端口寄存器的数据处理能力强。 I/O接口和存储器共用译码电路和读写控

4、制逻辑，电路非常简洁。 CPU无需产生访内操作和访外操作的控制信号。 I/O端口的地址空间可大可小，比较灵活，从而使外设的数量几乎可以不受限制。 不能充分利用地址空间，地址空间的分配可能潜藏隐患，影响存储器空间的容量； CPU与I/O端口交换数据的指令执行时间较长。 独立编址方式可以转换为统一编址方式 统一编址方式不一定能转换为独立编址方式统一编址：完全相同。独立编址：方法相同，通常I/O端口地址比存储器单元地址短，因此参与译码的地址线较少。 8位端口（静态地址）：地址线A7A0（8根线，其余忽略），00HFFH，可直接在IN/OUT指令中出现。 16位端口（动态地址）：地址线A15A0（16

5、根线，其余忽略），0000HFFFFH，端口地址必须先放在DX寄存器中，才能使用IN/OUT指令。 I/O端口的地址译码与存储器单元的地址译码方法相同。INAL，20H；20H是8位端口地址，可直接在指令中作为操作数使用MOVDX，13F8HOUTDX，AL；13F8H是16位端口地址，应先将其装入DX，才能被寻址 74LS373锁存器 74LS244缓冲器 74LS245收发器简单I/O接口芯片 74LS373锁存器74LS373真值表输入门控G输出允许输入D输出QHLLLHLHHLLD0（保持不变）Q0（原状态）LHD0（保持不变）Z（高阻态）HHXZ（高阻态）当GH、OEL时，xDxQ；

6、当输入门控G从高电平跳变到低电平且OEL时，xQ，即D被锁定；当OEH时，xQ；当GH时，xD。当GL时，xD74LS373可被用于锁存地址信息、数据信息和状态信息等，更多用于锁存地址信息。 74LS244缓冲器 8个三态门，驱动、缓冲，2组 第1组：1G门控，1Ax1Yx 第2组：2G门控，2Ax2Yx74LS244缓冲器主要用于三态输出的地址总线、数据总线或时钟驱动器。 74LS245收发器 双向，各8个三态门 G是门控 DIR是方向控制，DIR=H时，AB； DIR=L时，BA74LS245常用于数据的双向传送、缓冲和驱动。 【例】设计一接口电路,构成16个发光管流水灯,口地址85H86

7、H。画出电路原理图，编一驱动程序使发光管从上到下依次发光。GND1Q 2Q 3Q 4Q 5Q 6Q 7Q 8Q74LS373 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D 8DGOE1Q 2Q 3Q 4Q 5Q 6Q 7Q 8Q74LS373 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D 8DOE 74LS138 C B A G2A G1 G2B A0M/IOA1A2A7WEGY5Y6D1D2D0D4D5D3D7D6 MOVBX,0FFFEHNEXT: MOVAL，BLOUT85H，ALMOVAL，BHOUT86H，ALMOVCX，0FFFHLOP：LOOPLOP；延时SHLBX，1JNZNEXTHL

8、T基本输入/输出方法CPUMEMI/ODMA方式数据传送指令IN/OUT指令 程序控制的输入/输出 直接存储器存取方式（DMA） 程序控制的输入/输出 传送过程以CPU为中心，通过程序(数据传送指令和IN/OUT指令)完成数据传送 传送路径必须经过CPU内部的寄存器 传送速度不高，响应比较慢 无条件传送 查询方式传送 中断方式传送 无条件传送 又称同步传送，CPU可以随时与I/O进行数据传送，不依赖于任何条件 对于输入口，CPU总是认为外设数据已经准备好，可读 对于输出口，CPU总是假设外设数据端口已空，可写 不需要在CPU和I/O之间建立任何握手信号，所需硬件很少，软件简单 适用于开关、继电

9、器、步进电机、LED、数码管显示器等 输入接口设计 MOVDX，IN_PORTINAL，DX 输出接口设计 MOVDX，OUT_PORTOUTDX，AL 查询方式传送 CPU通过程序指令不断询问外设的工作状态，如果“就绪”就开始进行数据传送，如果未“就绪”则继续不断地询问 又称应答式传送，在CPU和外设之间建立了问答机制 除了使用数据口外，还要用到状态口 读取I/O接口中的状态口，得到外设的状态字； 检测相应的状态位，以检查是否“就绪”； 若“就绪”则执行I/O操作，若未“就绪”，则重复步。 优点： 能保证CPU与外围设备之间的协调同步工作 硬件线路简单，程序容易实现缺点： 浪费CPU的时间，

10、效率低【例】某外设接口的8位数据端口地址为200H，状态端口地址为201H，状态口中第7位为1表示外设已准备好。如该外设为输入设备，试编制从该设备输入一个字节数据的程序段。 MOVDX，201H；状态口地址LOP：INAL，DX；读取外设的状态字 TESTAL，10000000B；状态位第7位是否为1？ JZLOP；不是1则继续查询 DECDX；数据口地址 INAL，DX；从数据口输入数据【例】对于上例，如该外设为输出设备，则向该设备输出一个字节数据的程序段又该如何编制？ MOVDX，201H；状态口地址LOP：INAL，DX；读取外设的状态字 TESTAL，10000000B；状态位第7位是

11、否为1？ JZLOP；不是1则继续查询 DECDX；数据口地址 OUTDX，AL；向数据口输出数据 中断方式的输入/输出 外设“准备好”才发中断，效率高，实时性好 CPU处于被动地位，外设处于主动地位 是一种相对可靠的输入/输出方式 CPU与外设“并行”工作，多个外设也可“并行”工作 创建数据传送缓冲区，配置好相关地址； 初始化外设接口，配置好外设的工作方式； 初始化中断控制器（8259A），设置好包括中断优先级在内的中断控制逻辑； 编制中断服务（子）程序； 将中断向量（中断服务（子）程序的入口地址）填入中断向量表中； 适时启动外设。中断方式的输入输出仍属于程序控制的数据传送方式，其程序设计步

12、骤： 为了能够接受中断请求，CPU必须要有相应的中断控制逻辑，外围设备要提供中断请求信号及中断类型号。 中断方式每传送一次数据就要中断一次CPU。CPU响应中断后，进入中断处理，将程序引导至“中断服务程序”入口。在“中断服务程序”中，一般都要保护现场、恢复现场，浪费了很多CPU时间，较适合于传送少量数据以及中低速度的外围设备。 缺点： 直接存储器存取方式（DMA） Direct Memory Access，DMA 需要DMAC（DMA Controller） 不受CPU干预 纯硬件方式进行 高速传送，取决于存储器存取速度和I/O接口的工作速率 DMA传送的请求与工作过程： 外设向DMAC发出DMA传送请求信号（DREQ） DMAC向CPU发出总线请求保持信号HOLD，申请占用总线 CPU向DMAC发出总线响应信号HLDA，同时使CPU三总线处于高阻态，放弃总线控制权 DMAC获得总线控制权，并向外设发出DMA响应信号DACK，进入DMA工作方式 DMAC送出地址/控制信号，实现“内存外设”或“内存内存”之间的直接数据传送 DMAC自动修改地址和字节计数器，判断是否需要