第07章 微型計(jì)算機(jī)的輸入輸出

第7章輸入/輸出接口技術(shù)7.1接口的基本概念7.2I/O端口編址方式7.3CPU與I/O設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送方式7.1接口的基本概念7.1.1接口電路接口就是連接CPU與外設(shè)之間的部件，它在CPU與外設(shè)之間起到信息中轉(zhuǎn)作用。7.1.2為什么要用接口對(duì)于外部設(shè)備來說，功能是多種多樣的，而且種類繁多，信號(hào)類型十分復(fù)雜，具有以下特點(diǎn)：⑴品種繁多⑵信息處理速度差別大⑶信號(hào)類型與電平種類不同(4)信息結(jié)構(gòu)格式復(fù)雜因此，在微型計(jì)算機(jī)和外設(shè)之間必須有輸入/輸出（I/O）接口，以使CPU與外設(shè)達(dá)到最佳匹配，實(shí)現(xiàn)高效、可靠的信息交換。7.1.3接口的功能⑴數(shù)據(jù)緩沖功能

⑵尋址功能。

⑶聯(lián)絡(luò)功能

⑷數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能

⑸輸入輸出功能

⑹中斷管理功能

⑺提供時(shí)序控制功能。

⑻可編程功能。

一個(gè)具體的接口電路，可以具有以上一個(gè)或多個(gè)功能。7.1.4CPU與外設(shè)之間的信號(hào)CPU與輸入/輸出設(shè)備之間傳送的信號(hào)1、數(shù)據(jù)信息數(shù)字量模擬量開關(guān)量2、狀態(tài)信息3、控制信息7.1.5接口的基本組成接口部件通常都包含一組寄存器，用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息的傳送。這些能與CPU交換信息的寄存器稱為I/O端口寄存器，簡(jiǎn)稱“端口”。每一個(gè)端口都有一個(gè)端口地址（又叫做端口號(hào)）。接口主要由若干個(gè)端口組成，一個(gè)接口還要有一些相應(yīng)的控制邏輯。因此一個(gè)完整的接口應(yīng)由若干個(gè)端口加相應(yīng)的控制邏輯組成。7.1.5I/O接口的典型結(jié)構(gòu)控制總線CB地址總線ABI/O接口電路數(shù)據(jù)控制狀態(tài)數(shù)據(jù)總線DBCPU外設(shè)控制寄存器狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)寄存器1.接口電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)CPU與外設(shè)主要有數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制信息需要相互交換，于是從應(yīng)用角度看內(nèi)部：⑴數(shù)據(jù)寄存器(數(shù)據(jù)端口)保存外設(shè)給CPU和CPU發(fā)往外設(shè)的數(shù)據(jù)⑵狀態(tài)寄存器(狀態(tài)端口)保存外設(shè)或接口電路的狀態(tài)⑶控制寄存器(控制端口)保存CPU給外設(shè)或接口電路的命令端口（PORT）端口泛指I/O地址，通常對(duì)應(yīng)寄存器一個(gè)接口電路可以具有多個(gè)I/O端口，每個(gè)端口用來保存和交換不同的信息數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器和控制寄存器占有的I/O地址常依次被稱為數(shù)據(jù)端口、狀態(tài)端口和控制端口，用于保存數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制信息輸入、輸出端口可以是同一個(gè)I/O地址狀態(tài)端口和控制端口可以是同一個(gè)I/O地址7.2I/O端口編址技術(shù)方式與譯碼7.2.1I/O端口編址方式接口電路占用的I/O端口有兩類編排形式I/O端口與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址它們共享一個(gè)地址空間如M6800I/O端口單獨(dú)編址I/O地址空間獨(dú)立于存儲(chǔ)地址空間如8086/80881、I/O端口與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址優(yōu)點(diǎn)：不需要專門的I/O指令I(lǐng)/O數(shù)據(jù)存取與存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存取一樣靈活缺點(diǎn)：I/O端口要占去部分存儲(chǔ)器地址空間程序不易閱讀（不易分清訪存和訪問外設(shè)）內(nèi)存部分I/O部分存儲(chǔ)器空間00000FFFFF2、I/O端口單獨(dú)編址優(yōu)點(diǎn)：I/O端口的地址空間獨(dú)立控制和地址譯碼電路相對(duì)簡(jiǎn)單專門的I/O指令使程序清晰易讀缺點(diǎn)：I/O指令沒有存儲(chǔ)器指令豐富內(nèi)存空間I/O空間FFFFF0FFFF80x86采用I/O端口獨(dú)立編址3、

8086獨(dú)立編址方式的端口訪問輸入指令I(lǐng)NAL,i8 ;字節(jié)輸入，直接尋址INAL,DX ;字節(jié)輸入，間接尋址INAX,i8 ;字輸入，直接尋址INAX,DX ;字輸入，間接尋址輸出指令OUTi8,AL ;字節(jié)輸出，直接尋址OUTDX,AL ;字節(jié)輸出，間接尋址OUTi8,AL ;字輸出，直接尋址OUTDX,AL ;字輸出，間接尋址8088/8086的I/O端口8088只能通過輸入輸出指令與外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；呈現(xiàn)給程序員的外設(shè)是端口（Port），即I/O地址8086用于尋址外設(shè)端口的地址線為16條，端口最多為216＝65536（64K）個(gè)，端口號(hào)為0000H~FFFFH每個(gè)端口用于傳送一個(gè)字節(jié)的外設(shè)數(shù)據(jù)I/O尋址方式8088/8086的端口有64K個(gè)，無需分段，設(shè)計(jì)有兩種尋址方式直接尋址：只用于尋址00H~FFH前256個(gè)端口，操作數(shù)i8表示端口號(hào)間接尋址：可用于尋址全部64K個(gè)端口，DX寄存器的值就是端口號(hào)對(duì)大于FFH的端口只能采用間接尋址方式數(shù)據(jù)交換方式如果輸入輸出一個(gè)字節(jié)，利用AL寄存器如果輸入輸出一個(gè)字，利用AX寄存器輸入一個(gè)字，實(shí)際上是從連續(xù)兩個(gè)端口輸入兩個(gè)字節(jié)，分別送AL（對(duì)應(yīng)低地址端口）和AH（對(duì)應(yīng)高地址端口）輸出一個(gè)字，實(shí)際上是將AL（對(duì)應(yīng)低地址端口）和AH（對(duì)應(yīng)高地址端口）兩個(gè)字節(jié)的內(nèi)容輸出給連續(xù)兩個(gè)端口I/O指令應(yīng)用舉例直接尋址方式的(8位端口)：INAL,60HOUT61H,AL間接尋址方式的(8位端口)：MOVDX,300HINAL,DXMOVDX,301HOUTDX,AL如果訪問16位端口，把AL替換成AX即可7.3CPU與I/O設(shè)備之間數(shù)據(jù)的傳送方式CPU和外界交換信息的過程稱為輸入/輸出，又稱為通信。CPU為了與各種不同的外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，必須采用多種控制方式。通常采用無條件方式、條件方式、中斷方式和DMA方式這樣四種數(shù)據(jù)傳送方式。7.3.1程序傳送方式程序傳送方式是指CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送是在程序的控制下實(shí)現(xiàn)的。程序傳送方式又可分為無條件傳送和條件傳送兩種方式1.無條件傳送方式

無條件傳送方式一般用在外設(shè)總是處于就緒狀態(tài)的條件下進(jìn)行的一種數(shù)據(jù)傳送方式，一般適合于數(shù)據(jù)傳送不太頻繁的情況，如對(duì)于開關(guān)、數(shù)碼顯示器等一些簡(jiǎn)單外設(shè)的操作無條件傳送流程返回INAL，DXMOVDX，300HMOVDX，302HOUTDX，AL;2查詢傳送方式

條件傳送方式也稱程序查詢方式，即CPU與外設(shè)間采用應(yīng)答方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這種方式的特點(diǎn)是：在數(shù)據(jù)傳送之前，CPU要執(zhí)行一段查詢程序，不斷讀取并測(cè)試外設(shè)的狀態(tài)，只有當(dāng)外設(shè)處于準(zhǔn)備就緒（指輸入設(shè)備）或空閑狀態(tài)（指輸出設(shè)備）時(shí)，CPU才執(zhí)行輸入或輸出指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，否則，CPU循環(huán)等待，直到外設(shè)準(zhǔn)備就緒為止查詢傳送流程返回查詢輸入設(shè)數(shù)據(jù)輸入端口的地址為300H，狀態(tài)端口的地址為304H，利用查詢方式從數(shù)據(jù)輸入端口連續(xù)讀取8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，存放在當(dāng)前數(shù)據(jù)段內(nèi)存起始單元為2000H的區(qū)域中，可用下面的子程序段來實(shí)現(xiàn)：

MOVBX，2000H ；初始化數(shù)據(jù)指針

MOVCX，0008H ；循環(huán)計(jì)數(shù)值RLP:MOVDX，304H ；指向狀態(tài)端口RLP1:INAL，DX ；讀取狀態(tài)字

TESTAL，01H ；檢測(cè)READY是否置“1” JZRLP1 ；未就緒，繼續(xù)查詢

MOVDX，300H ；已就緒，指向數(shù)據(jù)輸入端口

INAL，DX ；讀取數(shù)據(jù)

MOV[BX]，AL ；送到指定內(nèi)存

INCBX ；調(diào)整數(shù)據(jù)指針

LOOPRLP ；循環(huán)，準(zhǔn)備讀取下一個(gè)字節(jié)

RET ；讀取完，返回查詢輸出設(shè)數(shù)據(jù)輸出端口的地址為302H，狀態(tài)端口的地址為304H，利用查詢方式向數(shù)據(jù)輸出端口連續(xù)發(fā)送8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)存放在當(dāng)前數(shù)據(jù)段內(nèi)存起始單元為1000H的區(qū)域中，可用下面的子程序段來實(shí)現(xiàn)：

MOVBX，1000H ；初始化數(shù)據(jù)指針

MOVCX，0008H ；循環(huán)計(jì)數(shù)值WLP: MOVDX，304H ；指向狀態(tài)端口WLP1: INAL，DX ；讀取狀態(tài)字

TESTAL，02H ；檢測(cè)BUSY是否置“1” JNZWLP1 ；設(shè)備忙，繼續(xù)查詢

MOVDX，302H ;已就緒,指向數(shù)據(jù)輸入端口

MOVAL，[BX] ；從內(nèi)存取出數(shù)據(jù)

OUTDX，AL ；發(fā)送數(shù)據(jù)

INCBX ；調(diào)整數(shù)據(jù)指針

LOOPWLP；循環(huán)，準(zhǔn)備發(fā)送下一個(gè)字節(jié)

RET ；發(fā)送完，返回7.3.2中斷傳送方式

如果外設(shè)需要CPU為其服務(wù)時(shí)，則向CPU發(fā)出請(qǐng)求。CPU暫停正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)去為請(qǐng)求中斷的外設(shè)（中斷源）服務(wù)。中斷服務(wù)完畢后，CPU又返回繼續(xù)執(zhí)行它原來的任務(wù)，即從原斷點(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行程序。這種方法就稱為中斷傳送方式主程序中斷服務(wù)子程序中斷申請(qǐng)信號(hào)中斷傳送流程返回中斷傳送方式的特點(diǎn)①CPU與外設(shè)在大部分時(shí)間內(nèi)并行工作，有效地提高了計(jì)算機(jī)的效率。②具有實(shí)時(shí)響應(yīng)能力，可適用于實(shí)時(shí)控制場(chǎng)合③及時(shí)處理異常情況，提高計(jì)算機(jī)的可靠性。中斷方式同程序查詢方式相比，硬件結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜一些，服務(wù)開銷時(shí)間也較大。但其最大的特點(diǎn)就是CPU效率較高，并且具有實(shí)時(shí)響應(yīng)能力7.3.3DMA傳送方式

外設(shè)與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳送不經(jīng)過CPU，傳送過程也不需要CPU干預(yù)，在外設(shè)和內(nèi)存之間開設(shè)直接通道由一個(gè)專門的硬件控制電路來直接控制外設(shè)與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)交換，從而提高數(shù)據(jù)傳送速度和CPU的效率，而