第5章 输入输出技术

本章内容接口电路的功能和I/O端口的编址简单接口电路及应用微机与I/O设备间的信息交换方式、各自优缺点和使用场合DMA方式的原理和DMA控制器的功能、初始化(了解)

第5章输入输出技术5.1I/O接口一、I/O接口概述计算机系统把处理器和主存储器以外部分称为输入/输出系统，包括输入输出设备、输入输出接口和输入输出软件。I/O接口是将外设连接到系统总线上的一组逻辑电路的总称。接口的作用：对于主机，接口提供外部设备工作状态及数据；对于外部设备，接口电路传达主机给外设的控制命令和数据，从而使主机与外设之间能协调一致地工作。主机与外设间交换信息存在以下问题：速度匹配；信号驱动能力；

信号形式和电平匹配；信息格式(字节流、块、数据包、帧)

；时序匹配。CPU数据状态控制外设I/O接口（4）根据寻址信息选择外设。5.1I/O接口I/O接口的基本功能一、I/O接口概述（1）命令、数据和状态的缓冲、隔离和锁存；

“输入要三态，输出要锁存”原则。（2）信息形式和格式转换；（3）信息的输入输出；

控制、监测和管理I/O接口与外设。5.1I/O接口二、I/O端口的编址方式为了完成上述功能，CPU与I/O接口进行通信是通过I/O接口内部的一组寄存器来实现的，这些寄存器统称为I/O端口。I/O端口寄存器：数据端口寄存器；状态端口寄存器；控制端口寄存器。CPU数据状态控制外设不同外设具有的端口数各不相同，计算机为每一个端口都赋予一个惟一编号，称为端口地址(或端口号)。编址方式：统一编址、独立编址二、I/O端口的编址方式5.1I/O接口（1）I/O端口与内存统一编址

端口与存储器单元在同一个地址空间中进行编址；优点指令统一，灵活；访问控制信号统一，使用同一组的地址/控制信号。

缺点内存可用地址空间减小0地址空间(共1MB)内存地址(960KB)I/O地址(64KB)FFFFFHEFFFFHF0000H（2）I/O端口与内存独立编址

内存储器和I/O端口各自有自己独立的地址空间；5.1I/O接口优点：内存地址空间不受I/O编址的影响。缺点：I/O指令功能较弱，使用不同的读写控制信号。00000H内存地址空间内存空间(1MB)I/O空间(64KB)FFFFHFFFFFHI/O地址空间0000H5.1I/O接口三、8088/8086的I/O端口编址（1）采用I/O独立编址方式(地址线与存储器共用)（2）地址线上的地址信号用IO/M(IO/M)来区分（3）I/O操作只使用20根地址线中的16根：A15～A0（4）可寻址的I/O端口数为64K(65536)个（5）I/O地址范围为0～FFFFH（6）IBMPC只使用了1024个I/O地址(0～3FFH)8088总线A19-A0A15-A0MEMR、MEMWIOR、IOW、AEN存储器输入/输出5.1I/O接口（1）直接寻址在输入输出指令中直接写上8位I/O端口地址号。例：INAL,50H；50H端口的字节读入AL例：OUT80H,AX；AX中的内容输出到80H、81H两个端口四、8088/8086的I/O端口寻址方式5.1I/O接口四、8088/8086的I/O端口寻址方式（2）寄存器间接寻址

16/8位I/O端口地址号存入DX，在输入输出指令中写DX，表示从其指示的I/O端口中输入输出数据。例：MOVDX,0050H

INAX,DX；从DX和DX+1所指的2个端口输入1个字例：MOVDX,FF02HOUTDX,AL；AL中的字节输出到DX所指端口中注意：16位I/O端口地址必须使用DX寄存器间接寻址5.1I/O接口五、8088/8086输入输出指令指令格式： INAL/AX/EAX，imm8/DXOUTimm8/DX，AL/AX/EAX例：输入字数据movdx,20h

；间接寻址，字数据输入inax,dxinax,20h；直接寻址，字数据输入inal,21h

；直接寻址，字节数据输入movah,alinal,20h三段功能相同；字数据传送实际上实现了连续的两个端口地址的字节数据传送。输入指令执行过程5.2简单接口电路有上述可知，CPU与外设交换信息有三类：数据信息、状态信息和控制信息。状态信息：反映外设工作状态的信息；控制信息：指CPU向接口内部控制寄存器发出的各种控制命令，以设置接口的工作方式及功能。数据信息：从外设读入或输出至外设的数据信息；一、接口电路的基本结构是一块中、大规模或超大规模集成电路芯片，常称I/O接口电路芯片(接口芯片)。主要由以下几部分组成：状态寄存器；译码电路；控制逻辑。

数据输入寄存器和数据输出寄存器；控制寄存器；5.2简单接口电路一、接口电路的基本结构数据线5.2简单接口电路数据输入/输出寄存器：又称数据输入端口、数据输出端口，合成数据端口。暂存输入/输出的数据。输入端口具有三态输出能力；输出常用锁存器实现；控制寄存器：又称命令端口或控制端口。存放CPU发出的控制命令(信息)，控制接口的工作方式及功能和控制外设按命令要求动作；状态寄存器：又称状态端口，存放外设或接口的状态信息，供CPU读；译码电路：CPU执行I/O指令时，从地址总线发送16位外部设备端口地址，其中高位地址线通过译码选中某接口芯片，低位地址线用来选择该接口芯片内不同端口；控制逻辑：产生接口内部控制信号和对外控制信号，以协调处理器和外设间的输入/输出操作。5.2简单接口电路（4）按数据控制方式分：程序型接口和DMA(DirectMemoryAccess)型接口。不是所有接口都具备上述全部功能。接口需要哪些功能取决于I/O设备的特点，有的还需要专用I/O接口电路。按分类方式不同主要有以下几种：（1）按数据传送方式分：并行接口和串行接口；（2）按功能选择的灵活性分：可编程接口和不可编程接口；（3）按通用性分：通用接口和专用接口；例：编写程序判断下图中的开关状态。如果所有开关都闭合，则程序转向标号NEXT1执行，否则转向标号为NEXT2执行。

二、三态门接口5.2简单接口电路

典型芯片74LS244，没有锁存功能的3态8位缓冲器（含8个三态门），3态是：高电平、低电平、高阻态。当控制端有效时，三态门导通，输出等于输入；否则输出高阻态。典型应用：开关接口74LS244接口电路图如下：83FCH～83FFH译码器MOVDX,83FCHINAL,DXANDAL,0FFHJZNEXT1JMPNEXT2所有开关全闭合转NEXT1，否则转NEXT2。三、锁存器接口5.2简单接口电路由D触发器构成，一个器件通常包含8个D触发器，常用芯片：(P239图5.5、图5.7)74LS273(二态锁存）：是一种带清除功能的8D触发器，D0～D7为数据输入端，Q0～Q7为数据输出端，CP正脉冲触发将Di端数据锁存到Qi端，S低电平清除Qi端。常用作8位地址锁存器或输出接口。74LS374(三态锁存器)：可作输入/输出缓冲器接口。74LS374带了三态门，它比74LS273多了一个输出允许端OE。只有当OE=0时，74LS374的输出三态门才导通，OE=1时呈高阻态。5.2简单接口电路三、锁存器接口应用例子：发光二极管接口译码器11.........+5VRD0｜D7CPQ0Q7...D0～D7A0～A15IOW#74LS273R设该输出接口地址是0FFFFH，则下列程序段的功能？ NOVDX,0FFFFH MOVAL,01000001B OUTDX,AL锁存器芯片74LS3745.2简单接口电路做输出端口:三态门一直处于导通状态。做输入端口:CP正脉冲锁存输入数据，译码选中时OE=0，CPU读取数据。例：利用74LS244和74LS273作为输入和输出接口，编写程序，根据开关状态在LED数码管显示十六进制数码。

四、简单接口的应用举例5.2简单接口电路解：273为输出接口，把数据送到7段LED数码管，设273的地址为F0H；244为输入口，读入开关K0～K3的状态；设244的地址为F1H；当开关的状态分别为0000～1111时，在7段数码管上对应显示’0’～’F’；5.2简单接口电路共阳极7段LED数码管结构(7段码表见下页)5.2简单接口电路符号形状7段码.gfedcba符号形状7段码.gfedcba’0’00111111’8’01111111’1’00000110’9’01100111’2’01011011’A’01110111’3’01001111’B’01111100’4’01100110’C’00111001’5’01101101’D’01011110’6’01111101’E’01111001’7’00000111’F’011100015.2简单接口电路O1I1O2I2O3I3O4I4#E1

K0～K3+5VGG2AG2BCBA≥174LS244D0Q0|Q1D7Q2Q3Q4CPQ5Q6Q7

abcdefgDP74068个反相器74LS273Rx8≥174LS138D0～D7IOW#IOR#Y0Y1F0H=0000000011110000BF1H=0000000011110001B&≥1A7～A4A15～A8A3A2A1A0D0D1D2D3译码电路5.2简单接口电路相应程序段如下：

……Seg7 DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H DB 7FH,67H,77H,7CH,39H,5EH,79H,71H …… LEA BX,Seg7；取7段码表基地址

MOV AH,0GO: MOV DX,0F1H；开关接口的地址为F1H IN AL,DX ；读入开关状态

AND AL,0FH；保留低4位

MOV SI,AX ；作为7段码表的表内位移量

MOV AL,［BX+SI］；取7段码

MOV DX,0F0H；7段数码管接口的地址为F0H OUT DX,AL JMP GO5.3微机与I/O设备信息交换方式

微型计算机与外设之间数据输入输出，实际上是CPU、内存与外设接口之间进行信息传送。主要有4种方式：无条件传送方式；条件传送（查询工作）方式；中断控制传送方式；直接存储器存取(DMA)方式。一、无条件传送方式适用于总是处于准备好状态的外设，输入输出指令的执行就是数据传送过程；以下外设可采用无条件传送方式：开关；发光器件(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。5.3微机与I/O设备信息交换方式

CPU通过程序不断读取并测试外设状态，根据外设状态进行输入输出。

二、条件传送(查询工作)方式5.3微机与I/O设备信息交换方式

单一外设工作流程适用场合：外设并不总是准备好，CPU在交换数据前须询问外设“你准备好没有？”；对传送速率和效率要求不高。对外设及接口的要求：

外设提供设备状态信息；接口应有状态端口。优点：软件比较简单。缺点：CPU效率低，数据传送实时性差，速度较慢。多个外设时，查询流程？5.3微机与I/O设备信息交换方式

例：用查询方式进行输出二、条件传送(查询工作)方式外设状态端口为3FBH，第5位为状态标志(=1忙，=0准备好)外设数据端口为3F8H，写入数据会使状态标志置1；外设把数据读走后又会置0。AGAIN：MOVDX,3FBH INAL，DX；读状态信息

TESTAL，00100000B JNZAGAIN；最高位=1时，忙

MOVDX,3F8H；最高位=0时，闲

MOVAL，STORE OUTDX，AL输出一批数据如何修改程序三、中断控制方式5.3微机与I/O设备信息交换方式

特点：外设在需要时向CPU提出请求，CPU再去为它服务。服务结束后或在外设不需要时，CPU可执行自己的程序。优点：CPU效率高，实时性好，速度快缺点：程序编制较为复杂以上三种I/O方式的共性均需CPU为中介：（外设CPU内存）软件：数据传送通过CPU执行程序来完成；硬件：I/O接口和存储器读写控制、地址信号都由CPU发出；缺点：程序执行速度限定了传送的最大速度(约为几十KB/s)四、直接存储器存取(DMA)方式5.3微机与I/O设备信息交换方式

特点：外设直接与存储器进行数据交换，CPU不再是数据传输的中介者；由DMA控制器（DMAC）接管总线控制权，内存/外设的地址和读写控制信号均由DMAC提供。优点：数据传输由DMA硬件来控制，数据直接在内存和外设之间交换，可以达到很高的传输速率(可达几MB/s)典型芯片：可编程大规模集成电路芯片：Intel8237-5，Intel8257/8257-5，MotorolaMC6844等。DMA控制器的工作过程5.3微机与I/O设备信息交换方式

①外设向DMAC发传送请求信号DRQ；⑤由DMAC发出各种控制信号，控制外设与存储