第五章數(shù)字量輸入輸出1of7

1、 1主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：5.15.1概述概述 1. I/O1. I/O信號(hào)的形式信號(hào)的形式 2. I/O2. I/O接口的功能接口的功能 3. I/O3. I/O端口的編址端口的編址 4. I/O4. I/O的控制方式的控制方式5.25.2系統(tǒng)總線及簡(jiǎn)單接口系統(tǒng)總線及簡(jiǎn)單接口 1. 1. 總線標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn) 2. 2. 總線周期總線周期 3. 3. 簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)單的I/OI/O接口接口 4. 4. 總線信號(hào)與接口的連接總線信號(hào)與接口的連接 2主要內(nèi)容（續(xù)）：主要內(nèi)容（續(xù)）： 幾種重要接口及其它們的可編程接口控制幾種重要接口及其它們的可編程接口控制器件器件5.3 5.3 中斷控制與中斷控制與 Inte

2、l 8259AIntel 8259A5.4 5.4 計(jì)數(shù)定時(shí)接口與計(jì)數(shù)定時(shí)接口與 Intel 8253Intel 82535.5 5.5 并行輸入輸出接口與并行輸入輸出接口與 Ins 8255Ins 82555.6 5.6 串行輸入輸出接口與串行輸入輸出接口與 Ins 8250Ins 82505.7 5.7 直接存儲(chǔ)器存取控制與直接存儲(chǔ)器存取控制與 Intel 8237Intel 8237 35.15.1概述概述一、一、I/OI/O信號(hào)信號(hào)1.1.開(kāi)關(guān)信號(hào)開(kāi)關(guān)信號(hào)2.2.數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)3.3.脈沖信號(hào)脈沖信號(hào)4.4.模擬信號(hào)模擬信號(hào)二、二、I/OI/O接口接口主機(jī)主機(jī)接口接口外設(shè)外設(shè)輸出輸出

3、輸入輸入CPUCPU實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn) 接口實(shí)現(xiàn)接口實(shí)現(xiàn) 只有兩狀態(tài)只有兩狀態(tài)0 0、1 1所有信號(hào)在數(shù)字計(jì)算機(jī)內(nèi)部都以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)和處理多于兩狀態(tài)，多位二進(jìn)制多于兩狀態(tài)，多位二進(jìn)制0/10/1的跳變，用于選通或計(jì)數(shù)的跳變，用于選通或計(jì)數(shù)數(shù)值和時(shí)間上連續(xù)變化數(shù)值和時(shí)間上連續(xù)變化計(jì)算機(jī)由面向外設(shè)變?yōu)槊嫦蚪涌谟?jì)算機(jī)由面向外設(shè)變?yōu)槊嫦蚪涌?4中央中央處理器處理器8088協(xié)處協(xié)處理器理器8087總線總線驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器總線總線控制器控制器8288RAM存儲(chǔ)存儲(chǔ)器器ROM存儲(chǔ)存儲(chǔ)器器8 級(jí)級(jí)中斷中斷電路電路4通道通道DMA8 通道通道定時(shí)定時(shí)/計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器喇叭喇叭電路電路鍵盤鍵盤接口接口 8個(gè)個(gè)擴(kuò)擴(kuò)展展插插座座CB

4、ABDB時(shí)鐘時(shí)鐘信號(hào)信號(hào)發(fā)生器發(fā)生器8284CPU外圍外圍I/O接口接口存儲(chǔ)器接口存儲(chǔ)器接口外圍外圍I/O接口接口IOR IO讀讀IOW IO寫寫MEMR 存儲(chǔ)器讀存儲(chǔ)器讀MEMW 存儲(chǔ)器寫存儲(chǔ)器寫 AEN=1 DMA 占用占用 AB=0 CPU 使用使用AB DACK3 DACK0 5P230 圖圖 5.1 典型的典型的I/O接口接口數(shù)據(jù)鎖存及緩沖數(shù)據(jù)鎖存及緩沖地址譯碼地址譯碼控制邏輯控制邏輯不同端口應(yīng)占用不同地址。數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制這三類端口I/O的內(nèi)容僅在外設(shè)表現(xiàn)不同作用，在CPU執(zhí)行I/O指令時(shí)都是通過(guò)數(shù)據(jù)線傳送。每一類端口可能不只一個(gè)。 6I/OI/O端口：是端口：是I/OI/O接口中

5、的存儲(chǔ)器，接口中的存儲(chǔ)器， CPUCPU用用I/OI/O指令、按指令、按I/OI/O地址進(jìn)行讀地址進(jìn)行讀/ /寫。寫。例: IN AL , 40H ; 從40H端口輸入 MOV DX , 200H OUT DX , AX ; 向200H、201H端口輸 出雙字節(jié)CPU使用使用16位位I/O地址只能用地址只能用DX間址。間址。系統(tǒng)系統(tǒng)(IBM PC)限制：只使用限制：只使用10位地址位地址 表示表示I/O空間，空間，用戶開(kāi)發(fā)的用戶開(kāi)發(fā)的I/O端口地址只能用端口地址只能用200H以上。以上。 71.1.存儲(chǔ)器映象存儲(chǔ)器映象I/OI/O端口占用存儲(chǔ)器的地址，端口占用存儲(chǔ)器的地址， CPUCPU用訪問(wèn)

6、存儲(chǔ)器的指令進(jìn)行用訪問(wèn)存儲(chǔ)器的指令進(jìn)行I/OI/O， 控制總線上產(chǎn)生訪問(wèn)存儲(chǔ)器的信號(hào)?？刂瓶偩€上產(chǎn)生訪問(wèn)存儲(chǔ)器的信號(hào)。I/O端口端口存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器片片選選譯譯碼碼內(nèi)存內(nèi)存1內(nèi)存內(nèi)存2ABRDWR片選1片選2片選n 8I/O片片選選譯譯碼碼I/O端口端口 1ABIORIOWI/O端口端口 2I/O端口端口 n片選1片選2片選n 91.1.直接直接接口最簡(jiǎn)單，但使用有限制接口最簡(jiǎn)單，但使用有限制(即、同步即、同步)。 10 11 mov DX, STATUS_PORT ; 為測(cè)試Waiting: in AL, DX test AL, READY_BIT ; 測(cè)試“準(zhǔn)備好”位 jz Waiting ;

7、 未準(zhǔn)備好，查詢 mov DX, DATA_PORT ; 為輸出數(shù)據(jù) mov AL, DATA out DX, AL mov DX, STATUS_PORT ; 為復(fù)位 in AL, DX and AL, NOT_READY_BIT ; 清除“準(zhǔn)備好”位 out DX, AL 12CPUCPU反復(fù)反復(fù)查詢查詢接口接口狀態(tài)狀態(tài)，認(rèn)為條件成熟才進(jìn)行，認(rèn)為條件成熟才進(jìn)行傳送傳送特點(diǎn)特點(diǎn): :增加狀態(tài)端口增加狀態(tài)端口, ,接口較簡(jiǎn)單接口較簡(jiǎn)單,CPU,CPU效率低效率低輪詢輪詢：多個(gè)外設(shè)可以輪流查詢適當(dāng)提高效率。：多個(gè)外設(shè)可以輪流查詢適當(dāng)提高效率。查詢方式由程序啟動(dòng)，又由程序完成，是典查詢方式由程序啟

8、動(dòng)，又由程序完成，是典型的型的程序控制程序控制I/OI/O方式方式。 13CPUCPU和外設(shè)并行工作，接口主動(dòng)提出請(qǐng)求，和外設(shè)并行工作，接口主動(dòng)提出請(qǐng)求，CPUCPU響應(yīng)后由響應(yīng)后由中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序完成完成I/OI/O傳送。傳送。中斷方式的接口及過(guò)程中斷方式的接口及過(guò)程CPUI/O接接口口INT申請(qǐng)申請(qǐng)DBABCBINTA應(yīng)答應(yīng)答 IRQ請(qǐng)求請(qǐng)求中斷中斷管理管理電路電路發(fā)送中斷類型號(hào)發(fā)送中斷類型號(hào)轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序 14中斷服務(wù)中斷服務(wù)程序程序2 2 IRETIRET第1次第2次第3次下一條下一條下一條主程序主程序IRETIRET中斷服務(wù)中斷服務(wù)程序程序1 1 對(duì)于主程序

9、的執(zhí)對(duì)于主程序的執(zhí)行，中斷的發(fā)生行，中斷的發(fā)生時(shí)間是隨機(jī)的。時(shí)間是隨機(jī)的。當(dāng)前指令執(zhí)行完當(dāng)前指令執(zhí)行完成之后才能響應(yīng)成之后才能響應(yīng) 15CPUCPU和外設(shè)并行工作，效率較高，和外設(shè)并行工作，效率較高，對(duì)接口響應(yīng)較快，對(duì)接口響應(yīng)較快，接口較復(fù)雜（專用的中斷管理電路接口較復(fù)雜（專用的中斷管理電路 例如例如8259A8259A）。）。由中斷服務(wù)由中斷服務(wù)( (專用專用) )程序完成數(shù)據(jù)傳送。程序完成數(shù)據(jù)傳送。屬于程序控制屬于程序控制I/OI/O方式。方式。使用最廣泛。使用最廣泛。 16DMA方式的接口及過(guò)程方式的接口及過(guò)程CPUI/O接接口口總線申請(qǐng)總線申請(qǐng)總線響應(yīng)總線響應(yīng) DMA請(qǐng)求請(qǐng)求DMA管理

10、管理電路電路 DMA響應(yīng)響應(yīng)內(nèi)存內(nèi)存數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)傳送此時(shí)此時(shí) AEN = 1 17CPUCPU和外設(shè)并行工作和外設(shè)并行工作效率最高效率最高對(duì)外設(shè)響應(yīng)最快對(duì)外設(shè)響應(yīng)最快(當(dāng)前總線周期結(jié)束當(dāng)前總線周期結(jié)束)接口最復(fù)雜接口最復(fù)雜（專用的（專用的DMA管理電路管理電路,例如例如8237）在高速外設(shè)中廣泛使用。在高速外設(shè)中廣泛使用。 18總線:多個(gè)電路傳送信號(hào)的公共通道 各電路有三態(tài)輸出 任何時(shí)候只能其中一個(gè)器件往傳輸線上輸出“0”或“1”（其他器件輸出呈高阻態(tài)）不同范圍的總線： 芯片級(jí)（芯片總線）如CPU引腳 系統(tǒng)級(jí)(內(nèi)總線) 如:PC/XT(8位數(shù)據(jù)總線), ISA(16位), EISA(32位),

11、 PCI(64位) 設(shè)備級(jí)(外總線) 如: RS232,GPIB，USBIO接口是對(duì)接口是對(duì)系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線的接口的接口 19P236 圖圖5.2 20 EISA 總線總線 針對(duì)針對(duì) 386、486Extended ISA (Industry Standard Architecture)-擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)總線時(shí)鐘頻率總線時(shí)鐘頻率8.33MHz，總線寬度，總線寬度32位，尋址能力位，尋址能力4GB，支持突發(fā)傳送支持突發(fā)傳送帶寬約帶寬約33MBps。-外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)、地址總線數(shù)據(jù)、地址總線32位，位，可擴(kuò)充到可擴(kuò)充到64位。位?？蛇M(jìn)行突發(fā)可進(jìn)行突發(fā)(b

12、urst)式傳輸式傳輸(成組傳送成組傳送: 地址地址 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) )。總線時(shí)鐘頻率總線時(shí)鐘頻率33MHZ或或66MHZ，最高傳輸率可達(dá)最高傳輸率可達(dá)528MB/S。 PCI卡內(nèi)有設(shè)備信息寄存器組為系統(tǒng)提供卡的信息，卡內(nèi)有設(shè)備信息寄存器組為系統(tǒng)提供卡的信息，可實(shí)現(xiàn)即插即用（可實(shí)現(xiàn)即插即用（Plug & Play）。）。 。2312 2182 21四方面信息：引腳排列、信號(hào)名稱、 有效極性、傳送方向。IOR IO讀IOW IO寫MEMR 存儲(chǔ)器讀MEMW 存儲(chǔ)器寫CPU執(zhí)行讀寫指令時(shí)執(zhí)行讀寫指令時(shí)只能只能4選選1有效。有效。因?yàn)橹挥幸惶椎刂房偩€因?yàn)橹挥幸惶椎刂房偩€ 22DMA傳送時(shí)讀寫信號(hào)

13、傳送時(shí)讀寫信號(hào)兩兩兩兩同時(shí)有效同時(shí)有效數(shù)據(jù)直接在總線上傳送數(shù)據(jù)直接在總線上傳送讀內(nèi)存讀內(nèi)存(MEMR)(MEMR)寫接口寫接口(IOW)(IOW)同時(shí)同時(shí)或者讀接口或者讀接口(IOR)(IOR)寫內(nèi)存寫內(nèi)存(MEMW)(MEMW)同時(shí)同時(shí)內(nèi)存用地址信號(hào)選中內(nèi)存用地址信號(hào)選中IO接口不用地址信號(hào)而用接口不用地址信號(hào)而用DACK信號(hào)鎖定信號(hào)鎖定CPUI/O接接口口HRQHLDA DRQDMA管理管理電路電路 DACK內(nèi)存內(nèi)存 23 AEN1，DMA地址有效 AEN0，CPU地址有效，CPU執(zhí)行指令時(shí)，AEN0 (AEN=1)I/O片選譯碼電路僅在CPU執(zhí)行IN/OUT指令時(shí)工作，故加上AEN0(A

14、EN=1)選通。在DMA傳送時(shí)I/O接口用DACKDACK信號(hào)鎖定信號(hào)鎖定，I/O譯碼電路不工作，地址總線信號(hào)用來(lái)選中直接訪問(wèn)的存儲(chǔ)器。 24指令執(zhí)行過(guò)程中各總線信號(hào)的變化時(shí)序。CPU驅(qū)動(dòng)的總線周期 P238 圖5.3 存儲(chǔ)器讀形成形成20位有效地址位有效地址 25指令執(zhí)行過(guò)程中各總線信號(hào)的變化時(shí)序。CPU驅(qū)動(dòng)的總線周期P240 圖5.6 I/O 寫真正的讀/寫在讀/寫信號(hào)的后沿附近完成 26 DMAC驅(qū)動(dòng)的總線周期讀存儲(chǔ)器同時(shí)寫I/O端口地址總線上是存儲(chǔ)器地址P241圖5.7 DMA存儲(chǔ)器讀 27三態(tài)緩沖器作輸入接口P247 圖5.10 三態(tài)緩沖器用于輸入接口 28設(shè)I/0地址為218H時(shí)譯

15、碼器輸出選中此接口，執(zhí)行下列指令，可以讀入8個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)： MOV DX，218H IN AL，DX只有數(shù)據(jù)端口。只有數(shù)據(jù)端口。執(zhí)行執(zhí)行IN指令時(shí)開(kāi)指令時(shí)開(kāi)關(guān)正在變化如何關(guān)正在變化如何保證輸入的數(shù)據(jù)保證輸入的數(shù)據(jù)正確？正確？軟件：重復(fù)多次軟件：重復(fù)多次IN的內(nèi)容的內(nèi)容相等時(shí)（穩(wěn)定）才接收。相等時(shí)（穩(wěn)定）才接收。硬件：增加狀態(tài)端口，先硬件：增加狀態(tài)端口，先查詢狀態(tài)穩(wěn)定才輸入數(shù)據(jù)。查詢狀態(tài)穩(wěn)定才輸入數(shù)據(jù)。 29鎖存器作輸出接口P247 圖5.11 D觸發(fā)器用于輸出接口 30設(shè)I/0地址為219H時(shí)譯碼器輸出選中接口執(zhí)行下列指令，AL的D0位寫入觸發(fā)器,驅(qū)動(dòng)LED ： MOV DX，219H OUT

16、DX，AL若連續(xù)輸出如何保證數(shù)據(jù)都被可靠接收？若連續(xù)輸出如何保證數(shù)據(jù)都被可靠接收？ 延時(shí)延時(shí) 增加狀態(tài)接口增加狀態(tài)接口 31P248 圖5.12 查詢式實(shí)用接口 右邊右邊(乙乙)：BUSY = 1 等待等待BUSY = 0 送出數(shù)據(jù)鎖存到送出數(shù)據(jù)鎖存到74LS373 并使并使 BUSY = 1左邊左邊(甲甲)：D0 = 1 等待等待D0 = 0 接收數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù) 并使并使 BUSY=0簡(jiǎn)單接口舉例 32 左邊有主機(jī)，右邊有外設(shè)8位鎖存緩沖器74LS373是數(shù)據(jù)端口，地址為CS1D觸發(fā)器是狀態(tài)端口，Q=1為準(zhǔn)備好，地址為CS0,狀態(tài)位送到數(shù)據(jù)總線D0狀態(tài)位的清零也用CS1，讀數(shù)的同時(shí)清除狀態(tài)位

17、33 mov DX, CS1 in AL, DX ; 假讀，清忙信號(hào) mov CX, DelayTimeChks: mov DX, CS0 in AL, DX and AL, 1 jz Datin loop Chks .Datin: mov DX, CS1 in AL, DX ; 輸入數(shù)據(jù) 341.數(shù)據(jù)信號(hào)的連接數(shù)據(jù)信號(hào)的連接系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線是雙向三態(tài)，若接口的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線是雙向三態(tài)，若接口的數(shù)據(jù)總線也是雙向三態(tài)則可以直接相接：數(shù)據(jù)總線也是雙向三態(tài)則可以直接相接：輸出數(shù)據(jù)一般要求有鎖存，輸出數(shù)據(jù)一般要求有鎖存，輸入數(shù)據(jù)一般要求有三態(tài)緩沖輸入數(shù)據(jù)一般要求有三態(tài)緩沖。8位系統(tǒng)對(duì)位系統(tǒng)對(duì)8位接口位接

18、口: 按數(shù)據(jù)線位序?qū)?yīng)相接按數(shù)據(jù)線位序?qū)?yīng)相接DB7D78 8位位 計(jì)算計(jì)算 機(jī)機(jī) 系統(tǒng)系統(tǒng) 8 8位位接口接口D0DB0輸入緩輸入緩沖器沖器輸出鎖輸出鎖存器存器外部數(shù)外部數(shù)據(jù)線據(jù)線 358位位鎖存鎖存18位位鎖存鎖存216位位輸出輸出接口接口8位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)低低8位位高高8位位片選片選1片選片選2IOWDB70 8位系統(tǒng)對(duì)位系統(tǒng)對(duì)16位接口：位接口：按按高低字節(jié)高低字節(jié)分成兩個(gè)分成兩個(gè)8位端口分別進(jìn)行位端口分別進(jìn)行I/O。輸入接口：數(shù)據(jù)傳送方向相反。鎖存器改成三態(tài)輸入接口：數(shù)據(jù)傳送方向相反。鎖存器改成三態(tài)緩沖器，緩沖器，IOW改成改成IOR。更多位接口用更多個(gè)更多位接口用更多個(gè)8位

19、端口位端口 3616位系統(tǒng)接位系統(tǒng)接8位接口：一般接數(shù)據(jù)總線位接口：一般接數(shù)據(jù)總線低低8位位8位位接口接口18位位接口接口216位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)片選片選1片選片選2IOWDB70 建議建議8位接口地址都用偶地址，地址對(duì)準(zhǔn)位接口地址都用偶地址，地址對(duì)準(zhǔn)（aligned）能在一個(gè)總線周期完成）能在一個(gè)總線周期完成I/O傳送。傳送。 372.控制信號(hào)的連接控制信號(hào)的連接所有的所有的I/O片選譯碼都要加片選譯碼都要加AEN信號(hào)信號(hào)控制控制。輸入接口輸入接口(三態(tài)緩沖器三態(tài)緩沖器)用用IOR信號(hào)信號(hào)選通選通， 輸入數(shù)據(jù)在輸入數(shù)據(jù)在IOR信號(hào)的后沿附近采樣。信號(hào)的后沿附近采樣。輸出接口輸出接口(鎖存器鎖存器)用用IOW信號(hào)信號(hào)鎖存鎖存， 輸出數(shù)據(jù)應(yīng)保持到輸出數(shù)據(jù)應(yīng)保持到IOW信號(hào)的后沿以后消失信號(hào)的后沿以后消失中斷方式傳送的接口還要有中斷聯(lián)絡(luò)信號(hào)，中斷方式傳送的接口還要有中斷聯(lián)絡(luò)信號(hào)，DMA方式傳送的接口還有方式傳送的接口還有DMA聯(lián)絡(luò)信號(hào)。聯(lián)絡(luò)信號(hào)。 383.地址信號(hào)的連接地址信號(hào)的連接片選地址：片選地