微型计算机课件：第5章 输入输出接口

5.1微机接口与接口技术

接口，是微处理器与外部设备连接的部件，是CPU与外部设备进行信息交换的中转站。接口技术就是采用硬件与软件相结合的方法，使微处理器与外部设备进行最佳的匹配，实现CPU与外部设备之间高效、可靠地信息交换的一门技术。接口技术是工业实时控制、数据采集中非常重要的微机应用技术，它可实现CPU与存储器、I/O设备、控制设备、测量设备、通信设备、A/D、D/A转换器等的信息交换。数字化存储示波器、数字化万用表终端、调制解调器

A/D转换器开关量输入

D/A转换器开关量输出键盘、鼠标、数字化仪、光笔、图形输入仪麦克风、扫描仪

打印机显示器磁盘磁带软盘光盘智能仪器接口通信接口过程控制接口输入接口输出接口外存接口CPU内存DB

AB

CB图1-1微机系统各类接口框图

5.1.1为什么要设置接口电路？

CPU与外设两者的信号线不兼容，在信号线功能定义、逻辑定义和时序关系上都不一致

两者的工作速度不兼容，CPU速度高，外设速度低

若不通过接口，而由CPU直接对外设的操作实施控制，就会使CPU处于穷于应付与外设打交道之中，大大降低CPU的效率

若外部设备直接由CPU控制，也会使外设的硬件结构依赖于CPU，对外设本身的发展不利。因此有必要设置接口电路，以便协调CPU与外设两者的工作，提高CPU的效率，并有利于外设按自身的规律发展

1.1.2接口电路中的信息

1．数据信息

要交换的数据本身即数据信息，一般是8位或16位，大致有下列几种形式：（1）数字量：通常以8位或16位的二进制数以及ASCII码的形式传输，主要指由键盘、磁盘、光盘等输入的信息或主机送给打印机、显示器、绘图仪等的信息。（2）模拟量：模拟的电压、电流或者非电量。对模拟量输入而言，需先经过传感器转换成电信号，再经A/D转换器变成数字量；如果需要输出模拟控制量的话，就要进行上述过程的逆转换。

CPU与外设之间可以通过接口传递三种信息：数据信息、状态信息及控制信息。习惯上把分别传送这三种信息的端口称为数据口、状态口和控制口

（3）开关量：用“0”和“1”来表示两种状态，如开关的通/断、电机的转/停、阀门的开/关等。2．状态信息CPU在传送数据信息之前，经常需要先了解外设当前的状态。如输入设备的数据是否准备好、输出设备是否忙等。用于表征外设工作状态的信息就叫做状态信息，它总是由外设通过接口输入给CPU的。状态信息的长度不定，可以是1个二进制位或多个，含义也随外设的具体情况不同而不同。3．控制信息用来发布控制命令、控制外设工作的信息，例如A/D转换器的启停信号。控制信息总是CPU通过接口发出的。1．数据信息

5.1.3接口的基本功能为了解决CPU与外设之间的矛盾，实现CPU与外设之间高效、可靠的信息交换，I/O接口应具备如下功能。

1．

数据缓冲功能接口电路中一般都设置有数据寄存器或锁存器数据口，以解决高速的主机与低速的外设之间的速度匹配问题，避免因主机与外设的速度不匹配而丢失数据。

2．

端口选择功能微机系统中常有多个外设，而CPU在任一时刻只能与一个端口交换信息，因此需要通过接口的地址译码电路对端口进行寻址。一般来说，通过高位地址产生外设的片选信号，低位地址作为芯片内部寄存器或锁存器寻址，以选定所需的端口，只有被选中的端口才能与CPU交换信息。外设所提供的数据、状态和控制信号可能与微机的总线信号不兼容，所以接口电路应进行相应的信号转换。信号转换包括CPU信号与外设信号间的逻辑关系、时序匹配和电平转换等。

4．

接收和执行CPU命令的功能CPU对外设的控制命令一般以代码形式输出到接口电路的控制端口，接口电路分析、识别命令代码，并最终产生具体的控制动作。3.信号转换功能

当外设需要及时得到CPU的服务，特别是出现故障需要CPU立即处理时，就要求接口中设置中断控制器，以便于CPU处理有关中断事务（如中断请求、中断优先级排队、提供中断向量等）。这样不仅使微机系统具有处理突发事件的能力，而且可以使CPU与外设并行工作，提高CPU的利用率。6．

可编程功能由于I/O接口电路大多由可编程接口芯片组成，因此就有可能在不改变硬件电路的情况下，只要修改接口驱动程序就可以改变接口的工作方式，提高了接口的灵活性和可扩充性，使接口向智能化方向发展。5.中断管理功能1．端口接口内的寄存器通常被称为端口。数据端口、控制端口和状态端口。每个端口有一个独立的地址，CPU分别进行读/写操作。2．地址译码电路作用是进行设备选择。这部分电路不包含在集成接口芯片中，要由用户自行设计。3．数据缓冲器与锁存器5.1.4接口的基本结构

5.2I/O端口及其编址方式5.2.1I/O端口端口（port）是接口电路中能被CPU直接访问的寄存器的地址5.2.2I/O端口的编址方式CPU与内部存储器或I/O端口交换信息，是通过地址总线访问内存单元或I/O端口来实现的，如何实现对内存单元或I/O端口的访问取决于这些内存及端口地址的编址方式1.统一编址方式这种方式，是从存储器空间划出一部分地址空间给I/O设备，把I/O接口中的端口当作存储器单元一样进行访问，不设置专门的I/O指令优点：指令类型多、功能齐全端口有较大的编址空间，这对大型控制系统和数据通信系统是很有意义的缺点：端口占用了存储器的地址空间，使存储器容量减小指令长度比专门I/O指令要长，因而执行速度较慢。2.独立编址方式这种编址方式是指I/O端口地址空间和存储器地址空间是独立的、分开的，即I/O端口地址不占用存储器地址空间MEMRMEMWCPU控制逻辑存储器（1MB）I/O端口（64K个）R/W控制20AB2016DB16168IORIOW图5-2独立编址方式5.2.3I/O端口地址分配I/O芯片名称端口地址DMA控制器1DMA控制器2DMA页面寄存器000～01FH0C0~0DFH080~09FH中断控制器1中断控制器2020~03FH0A0~0BFH定时器并行接口芯片（键盘接口）RT/CMOSRAM协处理器040~05FH060~06FH070~07FH0F0~0FFH表5-1系统板上接口芯片的端口地址I/O接口名称端口地址游戏控制卡200~20FH并行口控制卡1并行口控制卡2370~37FH270~27FH串行口控制卡1串行口控制卡23F8~3FFH2F0~2FFH原型插件板（用户可用）300~31FH同步通信卡1同步通信卡23A0~3AFH380～38FH单显MDA彩显CGA彩显EGA/VGA3B0~3BFH3D0~3DFH3C0~3CFH硬驱控制卡软驱控制卡1F0~1FFH3F0~3F7HPC网卡360~36FH表5-2扩展槽上接口控制卡的端口地址5.3端口地址译码5.3.1门电路译码这是最基本的也是最简单的地址译码方法，通常采用各种门电路，如与门、或门、非门等电路的组合实现例5-1使用74LS20/30/32和74LS04设计I/O端口地址为3D8H的只读译码电路。地址线00A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0二进制001111011000十六进制3D8表5-3译码电路输入地址线的值设计：按照表5-3中地址线的值，采用门电路就可以设计出译码电路，如图5-3所示。A1A0AENIOR11111A9A8A7A6A5A4A3A2≥1&&74LS0474LS2074LS3274LS301Y图5-3简单译码电路同理可设计出能执行读/写操作的2E2H端口地址的译码电路Y（读）Y（写）A1A0AENIORIOW111111≥1≥1≥1A9A8A7A3A274LS3074LS2074LS32&&图5-4带读/写控制的门电路译码电路5.3.2译码器译码若接口电路中需使用多个端口地址，则采用译码器译码比较方便。输入输出G1G2AG2BCBAY7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y010000011111110100001111111011000101111101110001111110111100100111011111001011101111110011010111111100111011111110×××1×××1×××××××××111111111111111111111111表5-474LS138的真值表

例5-2使用74LS138设计一个系统板上接口芯片的I/O端口地址译码电路，并且让每个接口芯片内部的端口数目为32个地址线00A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0用途控制片选片内端口寻址十六进制0H0~7H0~1FH表5-5译码电路输入地址线的值1315141211WRTDMAPG(写DMA页面寄存器)A5A6A7123ABCU54A8A9AENIOWDMACS(8237)INTRCS(8259)T/CCS(8253)PPICS(8255)WRTNMIREG(写出NMI屏蔽寄存器)Y5Y6Y7109710131274LS32≥1≥19811Y0Y1Y2Y3Y4G2BG2AG174LS138图5-5译码器多端口地址译码电路5.3.3比较器译码这种方法的基本思路，是将比较器的A(或B)输入端输入地址信号，B(或A)端接一组DIP(DualIn-linePackage)开关..A4A5A6A7S0S1S2S3A0A1A2A3RDB0B1B2B3A0A1A2A=BA3

EFGHBCDAWRA=B74LS8574LS3274LS3074LS32&&&+5VDIP11YIOWIOR........+5V图5-6四位比较器译码电路5.4CPU与外设之间的数据传送方式在微型计算机系统中，微机与外设之间的数据传送，实际上是CPU与I/OCPU与外设间的数据传送方式一般有三种方式：程序控制方式、中断方式和DMA方式。

5.4.1程序控制方式

程序控制方式是指CPU与外设间的数据传送是在程序的控制下完成的一种数据传送方式

这种方式又可以分为无条件传送方式和条件传送方式：

1．无条件传送方式无条件传送方式一般适合于数据传送不太频繁的情况，如对开关、数码显示器等一些简单外设的操作无条件，就是假设外设已处于就绪状态，数据传送时，程序就不必再去查询外设的状态，而直接执行I/O指令进行数据传输

端口地址译码器三态输入缓冲器输出锁存器DBABCECEWRM/IORD&&来自输入设备的数据至输出设备

图5-7无条件传送方式的接口电路

2．查询传送方式

查询传送方式在传送数据前先查询外设的状态，当外设准备好时，CPU执行I/O指令传送数据；若未准备好时，则CPU等待。这要求CPU与外设间的接口电路需要两个端口：数据端口和状态端口。

图5-8查询传送方式输入接口电路数据端口译码输出DBM/IO输入设备锁存器三态缓冲器(8)三态缓冲器(1)端口地址译码器状态端口译码输出&&RQDSTBD7ABRDRD+5V

例5-3设接口电路中状态端口的地址为STATUS，数据端口的地址为DATA，则CPU读取输入设备的数据应执行下列程序段：

POLL:INAL,STATUSTESTAL,80HJEPOLLINAL,DATA

图5-9查询传送方式输出接口电路ABM/IO去CPUDB选通信号D7输出设备锁存器WR数据端口译码输出端口地址译码器状态端口译码输出RDACK&&DB三态缓冲器+5VDQR<例5-4设接口电路中状态端口的地址为STATUS，数据端口的地址为DATA，则CPU将内存STORE单元的内容送至输出设备应执行下