第6章输入输出和中断技术

第6章输入输出及中断技术2主要内容基本概念输入输出系统I/O接口和端口端口的编址方式简单接口芯片及其应用基本输入输出方法中断的基本概念及工作过程教学目的：了解I/O系统、I/O接口和I/O端口的一般概念；了解I/O端口的变址方式；深入理解基本输入/输出方法及中断控制技术；掌握简单接口芯片的应用§6.1

输入输出系统5了解和掌握：接口的基本功能端口的概念端口的编址方式I/O地址译码66.1.1输入输出系统的特点组成：I/O设备，I/O接口，I/O软件特点：复杂性：I/O设备的复杂性和中断异步性：操作上的异步性和时间上的任意性实时性：要提供及时的服务与设备无关性：独立于具体设备的标准接口6.1.2I/O接口的基本功能I/O接口：将外设连接到总线上的一组逻辑电路的总称实现外设与主机之间的信息交换8接口要解决的问题速度匹配(Buffer)信号的驱动能力(电平转换器、驱动器)

信号形式和电平的匹配(A/D、D/A)

信息格式(字节流、块、数据包、帧)

时序匹配(定时关系)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I/O接口（数据）与总线隔离（高阻态）信息的输入/输出命令、数据和状态的缓冲与锁存缓解外设与CPU工作速度的差异信息转换格式、电平、功率、码制等6.1.3I/O端口的编址方式

CPU与I/O接口进行通信实际上是通过I/O接口内部的一组I/O端口实现的。

端口：I/O端口是接口电路中能被CPU直接访问(读/写)的寄存器。数据端口状态端口控制端口I/O端口类型不同外设具有的端口数各不相同，计算机中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、接口地址)。I/O端口CPU数据状态控制外设CPU对I/O设备的寻址有这样两种方式：

I/O端口与存储器统一编址I/O端口独立编址。1、I/O端口与存储器统一编址

也称为存储器映像(MemoryMapped)I/O方式，既把每个I/O端口都当作一个存储器单元看待，I/O端口与存储器单元在同一个地址空间中进行统一编址。对存储器地址进行操作，直接可以用指令MOV、ADD等例：MOV[2000H]，AL；对端口地址进行操作，也可直接可以用指令MOV、ADD等MOV[A000H]，AL；优点：

任何对存储器数据进行操作的指令都可用于I/O端口的数据操作，不需要专门的I/O指令，系统编程比较灵活；

I/O端口的地址空间是一部分内存空间，可大可小，使外设的数目几乎不受限制。缺点：

I/O端口占用了一部分内存空间，使内存空间减少降低了I/O端口的速度另外还给程序的阅读带来了一定的困难2、I/O端口独立编址也称为I/O映像方式，即I/O端口地址区域和存储器地址区域，分别各自独立编址。在指令使用形式上：对存储器操作：MOV[2000H]，AL对I/O操作：INAL，80HOUT80H，AL19端口的寻址8088/8086寻址端口数：64K个寻址端口的信号：IOR、IOWA15

～A08088/8086的I/O端口编址采用I/O独立编址方式(但地址线与存储器共用)地址线上的地址信号用IO/来区分I/O操作只使用20根地址线中的16根：A15～A0可寻址的I/O端口数为64K(65536)个I/O地址范围为0～FFFFH优点：

I/O端口空间与存储器空间各自独立，互不干涉使用专门的I/O指令对端口进行访问，这类指令短、执行速度快、译码简单。缺点：专门的I/O指令功能相对较弱，一般只有传送功能，没有运算功能。6.1.4I/O端口地址的译码目的：确定端口的地址将总线上的地址信号转换为某个端口的“使能”信号，这个操作就成为端口地址的译码。参加译码的信号：IOR，IOW，A15

～A0OUT指令将使总线的IOW信号有效IN指令将使总线的IOR信号有效在设计译码电路时，要注意以下几点：(1)8088/8086微处理器能够寻址的内存空间为1MB，所以要用到20根地址总线，其中高位(A19～Ai)用于确定芯片的地址范围，而低位(Ai-1～A0)用于片内寻址；而8088/8086CPU能够寻址的I/O端口仅为64KB(65535)个，所以只需用地址总线的低16位信号线。(2)当CPU工作在最大模式时，对存储器的读写要求控制信号或有效；如果是对I/O端口读写，则要求控制信号或有效。(3)地址总线上呈现的信号是内存的地址还是I/O端口的地址，取决于8086微处理器的IO/引脚的状态。当IO/=0时，为内存地址，即CPU正在对内存进行读/写操作；IO/=1时，为I/O端口地址，即CPU正在对I/O端口进行读/写操作。25CPUI/O接口外设数据端口地址控制数据状态控制6.2.1接口的基本构成6.2简单接口电路接口的基本构成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272、接口的类型及特点按传输信息的方向分类：输入接口输出接口按传输信息的类型分类：数字接口模拟接口按传输信息的方式分类：并行接口串行接口28接口特点输入接口：要求对数据具有控制能力常用三态门实现输出接口：要求对数据具有锁存能力常用锁存器实现含8个三态门的集成电路芯片在外设具有数据保持能力时用来输入接口6.2.2三态门接口【例】编写程序判断下图中的开关状态。如果所有的开关都闭合，则程序转向NEXT1的程序段执行，否则转向NEXT2的程序段执行。MOVDX，83FCHINAL，DXANDAL，0FFHJZNEXT1JMPNEXT2占用地址为：83FCH~83FFH6.2.3锁存器接口通常由D触发器构成常用锁存器芯片74LS273

不具备数据的控制能力74LS374具有对数据的控制能力321、74LS273110SGNDQ2D2D3Q3Q1D1D0Q0VccCPQ5D5D4Q4Q6D6D7Q7SCPDiQi011X↑↑X1001074LS273引线图和真值表S为复位端CP为脉冲输入端74LS273作为输出接口系统总线信号D0D0D7D7~~A0A1A2A3A4A5A6A7IOW&&≥111CP+5VQ0Q1Q6Q7…A8A9A10A11A12A13A14A15+5V74LS273例：8个Q端与8个发光二极管相连接，写出使接到Q0端和Q6端的发光二极管发光的程序段，假定该输出接口的地址为0FFFFH，则程序段如下：MOVDX,0FFFFHMOVAL,01000001OUTDX,AL343、74LS374110OEGNDQ2D2D3Q3Q1D1D0Q0VccCPQ5D5D4Q4Q6D6D7Q7DiCPOEQi10X↑↑X00110高阻DiQ(D)(CP)OE11Qi74LS374引线图和真值表74LS374内部结构36LED七段数码显示管接口abcdefgdp(a)LED显示管外形与二极管编码abcdefgdp(b)共阳极LED显示管abcdefgdp(c)共阴极LED显示管6.2.4简单接口的应用举例符号形状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’01110001数码管字形编码表（共阴极）38I/O接口综合应用例根据开关状态在7段数码管上显示数字或符号设输出接口的地址为F0H设输入接口的地址为F1H当开关K处于闭合状态时，在7段数码管上对应显示’0’；当开关K处于断开状态时，在7段数码管上对应显示’1’。+5VGG2AG2BCBA≥1D0Q0|Q1D7Q2Q3Q4CPQ5Q6Q7

abcdefgDP7406反相器74LS273Rx8≥174LS138D0～D7IOW#Y0Y1F0H=0000000011110000(数据端口)F1H=0000000011110001(状态端口)&≥1A7～A4A15～A8A3A2A1A0译码器KCD0I/O接口综合应用例——程序段FOREVER:

MOV DX,0F1H IN AL,DX

TESTAL，1MOVAL，3FH；显示“0”JZDISP MOVAL,06H；显示“1”DISP：MOVDX,0F0H OUTDX,ALJMPFOREVER6.3基本输入/输出方法无条件传送查询式传送中断方式传送直接存储器存取(DMA)6.3.1无条件传送方式无条件传送方式是指CPU在任何时刻与I/O设备交换数据，所以是指可以随时进行数据交换的外部设备。例：+5VDCPU8086E1CPE2DQ

总结：

输入接口要有一个输入缓冲器，输入缓冲器不仅提供了输入设备的端口，同时也使得输入设备和总线隔离；输出接口要有输出锁存器，它不仅使得输出设备和总线隔离，同时也能保持住CPU传送过来的信息，从而可以对外部设备提供相应的信号。适用于总是处于准备好状态的外设优点：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。6.3.2查询方式所谓查询，就是询问外部设备的工作状态，通过这一状态来判定外设是否具备了与CPU交换数据的条件。程序查询方式的硬件接口部分应包括数据端口、状态端口、端口选择及控制逻辑等三个部分。查询输入：查询输出：查询方式的特点：I/O操作由CPU启动，所有的传送都是与程序的执行同步完成。查询方式的缺点：浪费CPU的时间，CPU要不停的查询，这样就降低了CPU的效率。READY?进行一次数据交换读入并测试外设状态YN传送完？Y结束N开始每满足一次条件只能进行一次数据传送单一外设时的查询方式流程图对多个外设的查询最简单的查询方法是用输入指令IN逐个读取I/O设备的状态标志，并对状态标志进行相应的测试6.3.3中断方式中断方式是指在中断的情况下来完成数据的传送，当I/O设备需要CPU提供服务的时候，就会向CPU发出请求信号。CPU并不主动介入外设的数据传送。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作为中介：软件：外设与内存之间的数据传送是通过CPU执行程序来完成的（PIO方式）硬件：

I/O接口和存储器的读写控制信号、地址信号都是由CPU