微机原理第06章

第6章如何学习接口技术部分？注意其软硬结合的特点根据应用系统的需要，使用和构造相应的接口电路，编制配套的接口程序，支持和连接有关的设备第6章基本输入输出接口教学重点

I/O接口电路的典型结构无条件传送方式查询传送方式

中断工作过程6.1I/O接口概述为什么需要I/O接口（电路）？微机的外部设备多种多样输入设备键盘、鼠标、扫描仪…输出设备显示器、打印机、绘图仪…复合输入输出设备外存储设备工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差别很大因此，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6.1I/O接口概述（续1）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6.1.1I/O接口的主要功能⑴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见：输出锁存缓冲环节、输入锁存缓冲环节⑵对信号的形式和数据的格式进行变换微机直接处理：数字量、开关量⑶对I/O端口进行寻址⑷与CPU和I/O设备进行联络6.1.2I/O接口的典型结构控制总线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数据寄存器输入数据寄存器：保存外设给CPU的数据输出数据寄存器：保存CPU给外设的数据⑵状态寄存器保存外设或接口电路的状态⑶控制寄存器保存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），按功能分：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，仅用于某些特定的外设接口

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进行物理连接，还需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6.1.3I/O端口的编址接口电路占用的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8086/8088I/O端口与存储器统一编址它们共享一个地址空间如M6800⑴I/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⑵I/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00000FFFFF6.1.48088/8086的输入输出指令输入指令（IN：将外设数据传送给CPU内的AL/AX）INAL,i8 ;字节输入INAL,DX ;字节输入INAX,i8 ;字输入INAX,DX ;字输入输出指令（OUT：将CPU内的AL/AX数据传送给外设）OUTi8,AL ;字节输出OUTDX,AL ;字节输出OUTi8,AX ;字输出OUTDX,AX ;字输出演示演示8088/8086的I/O端口8088/8086用于寻址外设端口的地址线为16条(A0~A15)端口最多为216＝65536（64K）个，端口号为0000H~FFFFH每个端口用于传送一个字节的外设数据I/O寻址方式8088/8086的端口有64K个，无需分段，设计有两种寻址方式直接寻址：只用于寻址00H~FFH前256个端口，操作数i8表示端口号间接寻址：可用于寻址全部64K个端口，DX寄存器的值就是端口号对大于FFH的端口只能采用间接寻址方式数据交换方式如果输入输出一个字节，利用AL寄存器如果输入输出一个字，利用AX寄存器实质是将两个字节的内容与连续两个端口进行传送：低I/O地址端口与AL传送，高I/O地址端口与AH传送，仍是“低对低、高对高”的形式对外部数据总线是8位的8088或8位数据总线的接口电路来说，一般只采用字节输入输出方式。IN指令实例（从20H端口输入一个字）；方法1：直接寻址，字量输入

inax,20h；方法2：间接寻址，字量输入

movdx,20h inax,dx；方法3：直接寻址，字节量输入

inal,21h

mov

ah,al

inal,20h；方法4：间接寻址，字节量输入

movdx,21h

inal,dx

mov

ah,al

dec

dx

inal,dxOUT指令实例（向300H端口输出一个字节）；唯一的方法：间接寻址，字节量输出

mov

al,bvar

；bvar是字节变量

movdx,300h

outdx,al6.1.5I/O地址的译码I/O地址的译码方法有一些特点：每个接口电路通常只占用几个I/O地址，这时可以利用基本逻辑门电路进行地址译码除采用译码器、门电路进行译码外，I/O地址译码还经常采用可编程逻辑器件PLDIBMPC/AT主机板的I/O译码电路接口芯片内部译码DMA控制器1中断控制器1定时计数器并行接口电路DMA页面寄存器中断控制器2DMA控制器2协处理器ALS138译码器A0～A4A5A6A7A8A9HLDAMASTERABCE1E2E3Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7IBMPC/XT主机板的I/O译码电路Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7A5A6A7A8A9AENIOWAB

CG2BG2AG174LS138DMACS（8237）INTRCS（8259）T/CCS（8253）PPICS（8255）WRTDMAPG（写DMA页面寄存器）WRTNMIREG（写NMI屏蔽寄存器）逻辑门电路进行I/O地址译码A9A8A7A6A5A2A4A3AENA1A074LS033E7H6.1.6数据传送方式程序控制下的数据传送通过CPU执行程序中的I/O指令来完成传送。无条件传送、查询传送、中断传送直接存储器存取（DMA）DMAC利用系统总线来完成外设和存储器间的数据传送I/O处理机CPU委托专门的I/O处理机来管理外设，完成传送和相应的数据处理6.2无条件传送方式及其接口定义：CPU与某些特殊设备交换数据，可以认为它们总是处于“就绪”状态，随时可以进行数据传送，这种传送即为无条件传送。也称立即传送或同步传送适合于简单设备，如LED数码管、按键或按钮等传送前提：外设必须随时就绪无条件传送的接口和操作均十分简单流程无条件传送：输入示例MOV DX,160HINAL,DX无条件传送：输入实例MOV DX,160HINAL,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CSWR无条件传送：输入输出接口K7K1K0+5VD0～D7A0～A15CLKLS06反相驱动器LS2738D锁存器LS244三态缓冲器8000H译码+5VLED0LED7……GIOWIORnext: movdx,8000h ；DX指向数据端口

inal,dx

；从输入端口读开关状态

notal ；反相

outdx,al

；送输出端口显示

calldelay ；调子程序延时

jmpnext ；重复6.3查询传送方式及其接口CPU需要先了解（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6.3.1查询输入接口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IORSTB

movdx,8000h ；DX指向状态端口status:

inal,dx

；读状态端口

testal,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6.3.2查询输出接口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

incdx

；D7＝0，就绪，DX指向数据端口

mov

al,buf

；变量buf送AL

outdx,al

；将数据输出给数据端口6.4中断传送方式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处理该事件的服务程序；服务结束后，又返回原来的断点，继续执行原来的程序流程6.4.1中断传送与接口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中断不但在输入和输出方面有应用,在其他方面还有着非常广泛的应用中断输入接口D0～D7+5V8D锁存器8位三态缓冲器三态缓冲器RQ

译码

8001H中断向量号D0～D7INTRD输入设备中断允许触发器A0～A15中断请求触发器IORINTASTB中断工作过程中断处理是进行数据交换的实质性环节6.4.2中断工作过程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中断源的识别：1.向量中断2.中断查询中断查询接口A0～A15锁存器INTR三态缓冲器译码

8001HD0～D7中断A中断B中断C……IOR返回6.4.3中断优先权系统有多个中断同时请求，CPU如何应对？中断处理过程中，又有中断提出请求，怎么办？中断优先权排队中断嵌套链式优先权排队电路（图6-15）优先权编码电路（图6-16）6.5DMA传送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：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、快速数据传送第6章：教学要求1.了解I/O接口电路的主要功能、内部和外部特点、端口编址方法、I/O地址译码特点2.掌握输入输出指令3.掌握无条件、查询传送方式4.了解DMA传送的工作过程6.1~6.3，6.6，6.10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