微机原理基本输入输出接口

5.1I/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；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1第一页，共64页。5.1I/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2第二页，共64页。5.1I/O接口概述（续2）什么是微机接口技术？处理微机系统与外设间联系的技术；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。3第三页，共64页。常见接口插槽PS2鼠标PS2键盘千兆网10/100M网卡USB并行口MIDI/游戏接口显示器接口13941394a音箱/线入接口/麦克风串行口4第四页，共64页。5.1.2I/O接口-I/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、缓冲环节；输入接口有锁存、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、脉冲量；⑶对I/O端口进行寻址；⑷与CPU和I/O设备进行联络。5第五页，共64页。5.1.2I/O接口-I/O接口的典型结构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6第六页，共64页。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数据寄存器保存外设给CPU和CPU发往外设的数据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理解端口7第七页，共64页。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8第八页，共64页。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9第九页，共64页。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。10第十页，共64页。5.1.3I/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8086/8088；I/O端口与存储器统一编址它们共享一个地址空间；如M68000。11第十一页，共64页。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12第十二页，共64页。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00000FFFFF13第十三页，共64页。8088/8086的输入输出指令输入指令INAL,i8/DX ;字节输入INAX,i8/DX ;字输入输出指令OUTi8/DX,AL ;字节输出OUTi8/DX,AX ;字输出功能演示功能演示14第十四页，共64页。例:一个输入设备的简单接口电路该电路在CPU执行指令MOVDX,284HINAL,DX将输入设备的数据读入CPU内AL中图中译码电路的作用：只当A15~A0上出现284H时，（即0000001010000100B）输出0，其他输出1。IO总线三态缓冲器开关状态DBIOR地址译码AB

284H000D7~D0A15~A0与非15第十五页，共64页。例:一个输入设备的简单接口电路三态缓冲器开关输入数据线IOR地址译码地址线284H000D7~D0A15~A0与非IO总线D0D7K1:K8A15~A0IORCLKD7~D0T4T1T2T3Tw0000001010000100执行:MOVDX,284HINAL,DX01101101B=6DHIN指令时序问题:P290图5.11K2,K5,K8闭合时DB=?,(AL)=?

16第十六页，共64页。例:一个输入设备的简单接口电路三态缓冲器输入设备数据线IOR地址译码地址线284H000D7~D0A15~A0与非IO总线MOVDX,284HINAL,DX输入设备接口电路，即硬件上保证:只在CPU执行从284H端口输入数据时，三态门处于工作状态，使输入设备的数据送上总线侧，而CPU执行其它指令时，三态门均处于高阻状态，使输入设备的数据线与总线侧断开。思考：其他的指令为什么不可以？例：INAL,50H;MOVAL,[0284H]17第十七页，共64页。例:一个输出设备的简单接口电路该电路在CPU执行指令MOVAL,81HMOVDX,288HOUTDX,ALCPU内AL中的数据81H送至输出设备IO总线锁存器输出设备数据线IOW地址译码地址线

288H000D7~D0A15~A0与非例:LED指示灯图中译码电路的作用：只当A15~A0上出现288H时，（即0000001010001000B）输出0，其他输出1。参见P291图5.1218第十八页，共64页。例:一个输出设备的简单接口电路IO总线锁存器输出设备数据线IOW地址译码地址线

288H000D7~D0A15~A0与非例:LED指示灯OUT指令时序A15~A0CLKIOWD7~D0T4T1T2T3Tw0000001010001000执行：MOVAL,81HMOVDX,288HOUTDX,AL19第十九页，共64页。例:一个输出设备的简单接口电路PC总线锁存器输出设备数据线IOW地址译码地址线

288H000D7~D0A15~A0与非例:LED指示灯MOVDX,288HOUTDX,AL输出设备接口电路，即硬件上保证:只在CPU执行从288H端口输出数据时，锁存器处于触发状态，其输出随输入变化，而CPU执行其它指令时，锁存器均处于锁存状态,其输出不随输入变化，思考：其他的指令为什么不可以？例：OUT50H,AL;MOV[0288H],AL问题：对本电路MOVDX,288HINAL,DX结果如何？20第二十页，共64页。I/O端口的译码译码电路的作用译码电路的构成(与存储器译码相似）设计译码电路的方法片内译码和片选译码21第二十一页，共64页。I/O译码电路的作用将CPU执行IN/OUT指令发出的信号,“翻译”成欲操作端口的选通信号，此信号常作为接口内三态门或锁存器的控制信号，接通或断开接口数据线与系统的连接。A15~A0IORCLKD7~D0T4T1T2T3TwA15~A0CLKIOWD7~D0T4T1T2T3TwIN指令时序OUT指令时序22第二十二页，共64页。设计译码电路的方法根据端口地址确定地址信号A15~A0的条件取值，用门电路、译码器及组合、PLD/GAL实现满足条件情况的电路设计I/O译码电路时：端口的选通信号通常为低电平有效,除端口的地址信号参加译码外，控制信号IOW、IOR(IO/M、AEN也可参加译码)译码电路A0A1A14A15IORIOWAEN23第二十三页，共64页。例：设计端口地址为218H的译码电路分析CPU执行IN/OUT指令时，发出端口的地址信号MOVDX,218HINAL,DX或OUTDX,AL对应218H端口的地址信号为（只取A9~A0）： A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0(地址信号) 1000011000B218H

只要满足此地址取值的译码电路均可24第二十四页，共64页。方法一、用门电路实现218H的地址译码数据线DBRDWRCS端口译码电路0A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0AENIORIOWI/O接口IO总线D0~D7D0~D710000110000&译码电路部分满足：只当地址信号A9~A0为：A9A8A7A6A5A4A3A2A1A01000011000即218H时，输出“0”，使I/O接口的/CS有效，否则输出“1”，使I/O接口的/CS无效25第二十五页，共64页。地址重叠现象数据线DBRDWRCS端口译码电路0A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0AENIORIOWI/O接口IO总线D0~D7D0~D710000110000&注意译码电路中：由于高位地址线A15~A10未参与译码,即:地址A15~A0为：××××××1000011000均能输出“0”低电平,所以该电路使：一个端口对应多个地址共26=64个218，618，A18，E18，等等26第二十六页，共64页。218H方法二、用译码器、门电路组合实现地址译码【问1】Y1~Y7译出的端口地址各是多少？【问2】将A0与A2位置互换Y0~Y7译出的端口地址各是多少？27第二十七页，共64页。【答1】Y0~Y7译出的端口地址分别是219H～21FH。【答2】将A0与A2位置互换Y1~Y7译出的端口地址分别是218H、21CH、21AH、21EH、219H、21DH、21BH和21FH。28第二十八页，共64页。I/O地址的译码小结I/O地址的译码方法与存储器地址的译码方法一样，但有它的特点：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PLD29第二十九页，共64页。IBMPC/XT主机板的I/O译码电路30第三十页，共64页。5.1.4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，又分为：无条件传送、查询传送、中断传送直接存储器存取（DMA）——传送请求由外设向DMA控制器（DMAC）提出，后者向CPU申请总线，最后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31第三十一页，共64页。1、无条件传送方式及其接口在CPU与慢速变化的设备交换数据时，可以认为它们总是处于“就绪”状态，随时可以进行数据传送，这就是无条件传送，或称立即传送、同步传送适合于简单设备，如LED数码管、按键或按纽等无条件传送的接口和操作均十分简单这种传送有前提：外设必须随时就绪传送流程32第三十二页，共64页。无条件传送：输入示例33第三十三页，共64页。无条件传送：输出示例34第三十四页，共64页。简单输入接口举例MOV DX,218HIN AL,DX35第三十五页，共64页。简单输出接口举例MOV DX,219HOUT DX,AL36第三十六页，共64页。2、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特点是：工作可靠，适用面宽，但传送效率低就绪？37第三十七页，共64页。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传送流程接口实例38第三十八页，共64页。查询输入接口电路 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 JNZstatus ;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39第三十九页，共64页。查询输出接口电路

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D7,80H=10000000B JZstatus ;D7＝1,未就绪，继续查询 INCDX ;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40第四十页，共64页。3、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传送流程41第四十一页，共64页。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；下面讨论中断在输入和输出方面的应用；中断还有着非常广泛的应用，以后将详细介绍。42第四十二页，共64页。中断传送与接口43第四十三页，共64页。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44第四十四页，共64页。中断源的识别中断优先权问题1：系统有多个中断请求，CPU如何识别中断源？解答：中断查询45第四十五页，共64页。中断查询接口46第四十六页，共64页。中断优先权排队中断优先权（续1）问题2：有多个中断同时请求，CPU如何应对？解答：链式优先权排队电路47第四十七页，共64页。链式中断优先权排队电路48第四十八页，共64页。中断嵌套中断优先权（续2）问题3：中断处理过程中，又有中断提出请求，怎么办？解答：链式优先权排队电路49第四十九页，共64页。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。4、DMA传送方式50第五十页，共64页。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，判断传送完成否传送流程51第五十一页，共64页。DMA传送流程52第五十二页，共64页。小结——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；