第8章输入输出和接口技术

输入输出接口

8.1输入输出接口

8.1.1I/O接口（端口）

8.1.2I/O接口要解决的问题

8.1.3I/O接口的功能

8.1.4I/O端口的编址方法

8.1.5简单的I/O接口第8章8.2

输入和输出的传送方

式

8.2.1程序控制的输入和

输出

8.2.2中断控制的输入和

输出

8.2.3直接存储器存取

（DMA）方式注：IN(I)输入，OUT(O)输出，端口（接口）第8章输入输出接口8.1.1I/O信息为什么需要I/O接口（电路）？微机的外部设备多种多样工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差别很大它们不能与CPU直接相连必须经过中间电路再与系统相连这部分电路被称为I/O接口电路多种外设

8.1.1I/O信息什么是I/O接口（电路）？I/O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逻辑电路PC机系统板的可编程接口芯片、I/O总线槽的电路板（适配器）都是接口电路CPU接口电路I/O设备

8.1.2I/O接口要解决的问题速度匹配,数据缓冲信号电平和驱动能力(电平转换器、驱动器)

信号形式匹配(A/D、D/A)

信息格式(字节流、块、数据包、帧)

时序匹配(定时关系)总线隔离(三态门)译码选址，多个端口可编程功能，具备不同的功能（发展趋势）错误检测8.1.3I/O接口的功能☆

I/O地址译码与设备选择把选中的与总线相接，未选中的与总线隔离（高阻态）

☆信息的输入输出

☆命令、数据和状态的缓冲、隔离和锁存对输入输出数据进行缓冲和锁存输出接口有锁存环节，输入接口有缓冲环节实际的电路常用：

输出锁存缓冲环节，输入锁存缓冲环节

☆信息转换微机直接处理：数字量、开关量、脉冲量典型的并行接口和外部设备连接如图所示。图中的并行接口用一个通道和输入设备相连，用另一个通道和输出设备相连，每个通道中除数据线外均配有一定的控制线和状态线。8.1.3I/O接口的功能控制总线CB地址总线ABI/O接口电路数据控制状态数据总线DBCPU外设控制寄存器状态寄存器数据寄存器1.接口电路的内部结构2.接口电路的外部特性3.接口电路芯片的分类4.接口电路的可编程性这些寄存器就是I/O端口，每个端口都有自己的地址端口（PORT）端口泛指I/O地址，通常对应寄存器；一个接口电路可以具有多个I/O端口，每个端口用来保存和交换不同的信息；数据端口、状态端口和控制端口占有的I/O地址也可依次称为数据寄存器、状态寄存器和控制寄存器，用于保存数据、状态和控制信息；输入、输出端口可以是同一个I/O地址。1.接口电路的内部结构CPU与外设主要有数据、状态和控制信息需要相互交换，于是从应用角度看内部：⑴数据寄存器：数据输入端口保存外设给CPU和CPU发往外设的数据⑵状态寄存器：状态端口保存外设或接口电路的状态⑶控制寄存器：控制端口保存CPU给外设或接口电路的命令2.接口电路的外部特性主要体现在引脚上，分成两侧信号面向CPU一侧的信号：用于与CPU连接主要是数据、地址和控制信号面向外设一侧的信号：用于与外设连接提供的信号五花八门功能定义、时序及有效电平等差异较大3.接口电路芯片的分类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（接口芯片）：通用接口芯片支持通用的数据输入输出和控制的接口芯片面向外设的专用接口芯片针对某种外设设计、与该种外设接口

面向微机系统的专用接口芯片与CPU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许多接口电路具有多种功能和工作方式，可以通过编程的方法选定其中一种接口需要进行物理连接，还需要编写接口软件接口软件有两类：初始化程序段——设定芯片工作方式等数据交换程序段——管理、控制、驱动外设，负责外设和系统间信息交换8.1.4I/O端口的编址方法接口电路占用的I/O端口有两类编排形式I/O端口单独编址I/O地址空间独立于存储地址空间如8086I/O端口与存储器统一编址它们共享一个地址空间如M6800理解端口I/O端口单独编址优点：I/O端口的地址空间独立控制和地址译码电路相对简单专门的I/O指令使程序清晰易读缺点：I/O指令没有存储器指令丰富内存空间I/O空间FFFFF0FFFF80x86采用I/O端口独立编址I/O端口与存储器统一编址优点：不需要专门的I/O指令I/O数据存取与存储器数据存取一样灵活缺点：I/O端口要占去部分存储器地址空间程序不易阅读（不易分清访存和访问外设）内存部分I/O部分存储器空间00000FFFFF8086的输入输出指令输入指令INAL,i8 ;字节输入，直接寻址INAL,DX ;字节输入，间接寻址INAX,i8 ;字输入，直接寻址INAX,DX ;字输入，间接寻址输出指令OUTi8,AL ;字节输出，直接寻址OUTDX,AL ;字节输出，间接寻址OUTi8,AX ;字输出，直接寻址OUTDX,AX ;字输出，间接寻址演示演示8086/8088的I/O指令（1）直接端口寻址方式对于端口PORT的地址范围是8位，即00H—FFHINAL,PORT

;端口PORT的字节信息送ALOUTPORT,AL ;将AL的数据信息送到端口PORTINAX,PORT

;端口PORT的字信息送AX,即端口 ;PORT的字节信息送AL，端口 ;PORT+1的字节信息送AHOUTPORT,AX ;将AX的字信息送端口，即AL送端 ;口PORT，AH送端口PORT+18086/8088的I/O指令（2）间接端口寻址方式对于端口地址大于8位时，必须用间接端口寻址方式：INAL,DX ；从DX所表示的端口输入字节数据到ALOUTDX,AL ；将AL中的数据输出到以DX表示的端口INAX,DX ；从DX所表示的端口输入字数据到AX，即DX ；端口的字及到AL，DX+1端口的字节到AHOUTDX,AX ；将AX的字数据输出到以DX表示的端口，即 ；AL输出到DX端口，AH输出到DX+1

8.1.5简单的I/O接口

1．三态缓冲器，三态缓冲寄存器三态，是指电路输出端具有三种稳态，即1态(高电平状态)，0态(低电平状态)和第三态——高阻态(或称浮空态)。

可编程接口电路的一般结构图数据线控制线状态线DBCBAB数据输入寄存器(or三态门)数据输出寄存器(锁存器)状态寄存器(or三态门)命令寄存器译码电路控制逻辑接外设接主机74LS244引脚及内部结构数据输入三态缓冲器

三态缓冲器构成输入接口8个数据输出端Y,与微机数据总线连接;8个数据输入端A,与外设连接;

数据允许端1G,2G,将数据从A—Y;执行IN指令时，CPU发出读指令，将数据经三态缓冲器加到AL。

8D触发器-74LS273数据输出寄存器8个数据输入端1D-8D与数据总线连接8个数据输出端1Q-8Q与外设连接。CLK上升沿时数据写入，下降沿可以清除执行OUT指令时，CPU发出指令，将AL中的数据写入该触发器，等待输出。8.2输入输出的传送方式

无条件传送方式程序控制的输入输出中断控制的输入输出直接存储器存取DMA(DirectMemoryAccess)外设数据形式非常多，外设速度也非常多，因此，数据传送的关键在于如何进行控制。8.2.1程序控制的输入输出无条件传送方式，同步传送适用于总是处于准备好状态的外设，不需要检查判断以下外设可采用无条件传送方式：开关发光器件(如发光二极管、7段数码管、灯泡等)继电器步进电机优点：软件及接口硬件简单缺点：只适用于简单外设，适应范围较窄流程播放无条件传送：输入示例MOV DX,160HIN AL,DX无条件传送：输入实例MOV DX,160HIN AL,DX74LS244+5V10Kx8G1G2数据总线CSRD无条件传送：输出示例MOVDX,160HMOVAL,[BX]OUTDX,AL无条件传送：输出实例MOVDX,160HMOVAL,[BX]OUTDX,AL+5V74LS373300

x8LEOE数据总线CSWR8.2.1程序控制的输入输出查询传送方式CPU需要先测试（查询）外设的工作状态，然后在外设可以交换信息的情况下（就绪）实现数据输入或输出对多个外设的情况，则CPU按一定顺序依次查询（轮询）。先查询的外设将优先进行数据交换查询传送的特点是：工作可靠，适用面宽，但传送效率低查询传送的两个环节⑴查询环节寻址状态口读取状态寄存器的标志位若不就绪就继续查询，直至就绪⑵传送环节寻址数据口是输入，通过输入指令从数据端口读入数据是输出，通过输出指令向数据端口输出数据输入状态就绪？数据交换YN流程8.2.1程序控制的输入输出IOR+5V8D锁存器8位三态缓冲器译码1位三态缓冲器RQ

A0～A158000H8001HD0～D7D0D输入设备IORSTBMOVDX,8000H ;DX指向状态端口STATUS:INAL,DX ;读状态端口

TESEAL,01H ;测试标志位D0 JZSTATUS ;D0＝0，未就绪，继续查询

INCDX ;D0＝1，就绪，DX指向数据端口

INAL,DX ;从数据端口输入数据

查询输入接口8.2.1程序控制的输入输出8D锁存器译码1位三态缓冲器RQ

A0～A158000H8001HD0～D7D7D+5V输出设备ACKIOWIOR MOVDX,8000H ;DX指向状态端口STATUS:INAL,DX ;读取状态端口的状态数据

TESTAL,80H ;测试标志位D7 JNZSTATUS;D7＝1，未就绪，继续查询

INXDX ;D7＝0，就绪，DX指向数据端口

MOVAL,BUF ;变量buf送AL

OUTDX,AL ;将数据输出给数据端口查询输出接口8.2.2中断控制的输入和输出断点主程序中断服务程序中断请求对外设进行处理继续执行返回断点CPU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，继续执行原来的程序。流程程序控制电路简单，清楚但是要不断测试，只能串行工作效率低。8.2.2中断控制的输入和输出中断传送是一种效率更高的程序传送方式进行传送的中断服务程序是预先设计好的中断请求是外设随机向CPU提出的CPU对请求的检测是有规律的：一般是在每条指令的最后一个时钟周期采样中断请求输入引脚

8.2.2中断控制的输入和输出8.2.2中断控制的输入和输出中断请求中断响应关中断断点保护中断识别现场保护中断服务恢复现场开中断中断返回中断服务是进行数据交换的实质性环节8.2.3直接存储器存取

(DMA)方式希望克服程序控制传送的不足：外设→CPU→存储器外设←CPU←存储器直接存储器存取DMA：外设→存储器外设←存储器CPU释放总线，由DMA控制器管理DMA传送的工作过程⑴CPU对DMA控制器进行初始化设置⑵外设、DMAC和CPU三者通过应答信号建立联系：CPU将总线交给DMAC控制⑶DMA传送DMA读存储器：存储器→外设DMA写存储器：存储器←外设⑷自动增减地址和计数，判断传送完成否DMA传送流程HLDA发存储器地址传送数据传送结束？DMA结束修改地址指针流程传送方式的比较无条件传送：慢速外设需与CPU保持同步查询传送：简单实用，效率较低中断传送：外设主动，可与CPU并行工作，但每次传送需要大量额外时间开销DMA传送：DMAC控制，外设直接和存储器进行数据传送，适合大量、快速数据传送多种多样的外设工作原理不同机械、电子、机电、电磁……传送信息类型多样数字量、模拟量、开关量传送速度差别极大传送方式不尽相同串行、并行编码方式不同二进制、BCD码、ASCII码……返回输出接口的锁存环节内部数据总线外部数据引脚锁存控制DCQDCQDCQ返回输出接口的锁存、缓冲环节内部数据总线外部数据引脚锁存控制DCQDCQDCQ读数据返回