第8章輸入輸出和接口技術

輸入輸出接口

8.1輸入輸出接口

8.1.1I/O接口（端口）

8.1.2I/O接口要解決的問題

8.1.3I/O接口的功能

8.1.4I/O端口的編址方法

8.1.5簡單的I/O接口第8章8.2

輸入和輸出的傳送方

式

8.2.1程序控制的輸入和

輸出

8.2.2中斷控制的輸入和

輸出

8.2.3直接存儲器存取

（DMA）方式注：IN(I)輸入，OUT(O)輸出，端口（接口）第8章輸入輸出接口8.1.1I/O信息為什么需要I/O接口（電路）？微機的外部設備多種多樣工作原理、驅動方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差別很大它們不能與CPU直接相連必須經(jīng)過中間電路再與系統(tǒng)相連這部分電路被稱為I/O接口電路多種外設

8.1.1I/O信息什么是I/O接口（電路）？I/O接口是位于系統(tǒng)與外設間、用來協(xié)助完成數(shù)據(jù)傳送和控制任務的邏輯電路PC機系統(tǒng)板的可編程接口芯片、I/O總線槽的電路板（適配器）都是接口電路CPU接口電路I/O設備

8.1.2I/O接口要解決的問題速度匹配,數(shù)據(jù)緩沖信號電平和驅動能力(電平轉換器、驅動器)

信號形式匹配(A/D、D/A)

信息格式(字節(jié)流、塊、數(shù)據(jù)包、幀)

時序匹配(定時關系)總線隔離(三態(tài)門)譯碼選址，多個端口可編程功能，具備不同的功能（發(fā)展趨勢）錯誤檢測8.1.3I/O接口的功能☆

I/O地址譯碼與設備選擇把選中的與總線相接，未選中的與總線隔離（高阻態(tài)）

☆信息的輸入輸出

☆命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)的緩沖、隔離和鎖存對輸入輸出數(shù)據(jù)進行緩沖和鎖存輸出接口有鎖存環(huán)節(jié)，輸入接口有緩沖環(huán)節(jié)實際的電路常用：

輸出鎖存緩沖環(huán)節(jié)，輸入鎖存緩沖環(huán)節(jié)

☆信息轉換微機直接處理：數(shù)字量、開關量、脈沖量典型的并行接口和外部設備連接如圖所示。圖中的并行接口用一個通道和輸入設備相連，用另一個通道和輸出設備相連，每個通道中除數(shù)據(jù)線外均配有一定的控制線和狀態(tài)線。8.1.3I/O接口的功能控制總線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)部結構2.接口電路的外部特性3.接口電路芯片的分類4.接口電路的可編程性這些寄存器就是I/O端口，每個端口都有自己的地址端口（PORT）端口泛指I/O地址，通常對應寄存器；一個接口電路可以具有多個I/O端口，每個端口用來保存和交換不同的信息；數(shù)據(jù)端口、狀態(tài)端口和控制端口占有的I/O地址也可依次稱為數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器和控制寄存器，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I/O地址。1.接口電路的內(nèi)部結構CPU與外設主要有數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制信息需要相互交換，于是從應用角度看內(nèi)部：⑴數(shù)據(jù)寄存器：數(shù)據(jù)輸入端口保存外設給CPU和CPU發(fā)往外設的數(shù)據(jù)⑵狀態(tài)寄存器：狀態(tài)端口保存外設或接口電路的狀態(tài)⑶控制寄存器：控制端口保存CPU給外設或接口電路的命令2.接口電路的外部特性主要體現(xiàn)在引腳上，分成兩側信號面向CPU一側的信號：用于與CPU連接主要是數(shù)據(jù)、地址和控制信號面向外設一側的信號：用于與外設連接提供的信號五花八門功能定義、時序及有效電平等差異較大3.接口電路芯片的分類接口電路核心部分往往是一塊或數(shù)塊大規(guī)模集成電路芯片（接口芯片）：通用接口芯片支持通用的數(shù)據(jù)輸入輸出和控制的接口芯片面向外設的專用接口芯片針對某種外設設計、與該種外設接口

面向微機系統(tǒng)的專用接口芯片與CPU和系統(tǒng)配套使用，以增強其總體功能4.接口電路的可編程性許多接口電路具有多種功能和工作方式，可以通過編程的方法選定其中一種接口需要進行物理連接，還需要編寫接口軟件接口軟件有兩類：初始化程序段——設定芯片工作方式等數(shù)據(jù)交換程序段——管理、控制、驅動外設，負責外設和系統(tǒng)間信息交換8.1.4I/O端口的編址方法接口電路占用的I/O端口有兩類編排形式I/O端口單獨編址I/O地址空間獨立于存儲地址空間如8086I/O端口與存儲器統(tǒng)一編址它們共享一個地址空間如M6800理解端口I/O端口單獨編址優(yōu)點：I/O端口的地址空間獨立控制和地址譯碼電路相對簡單專門的I/O指令使程序清晰易讀缺點：I/O指令沒有存儲器指令豐富內(nèi)存空間I/O空間FFFFF0FFFF80x86采用I/O端口獨立編址I/O端口與存儲器統(tǒng)一編址優(yōu)點：不需要專門的I/O指令I/O數(shù)據(jù)存取與存儲器數(shù)據(jù)存取一樣靈活缺點：I/O端口要占去部分存儲器地址空間程序不易閱讀（不易分清訪存和訪問外設）內(nèi)存部分I/O部分存儲器空間00000FFFFF8086的輸入輸出指令輸入指令INAL,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,AX ;字輸出，直接尋址OUTDX,AX ;字輸出，間接尋址演示演示8086/8088的I/O指令（1）直接端口尋址方式對于端口PORT的地址范圍是8位，即00H—FFHINAL,PORT

;端口PORT的字節(jié)信息送ALOUTPORT,AL ;將AL的數(shù)據(jù)信息送到端口PORTINAX,PORT

;端口PORT的字信息送AX,即端口 ;PORT的字節(jié)信息送AL，端口 ;PORT+1的字節(jié)信息送AHOUTPORT,AX ;將AX的字信息送端口，即AL送端 ;口PORT，AH送端口PORT+18086/8088的I/O指令（2）間接端口尋址方式對于端口地址大于8位時，必須用間接端口尋址方式：INAL,DX ；從DX所表示的端口輸入字節(jié)數(shù)據(jù)到ALOUTDX,AL ；將AL中的數(shù)據(jù)輸出到以DX表示的端口INAX,DX ；從DX所表示的端口輸入字數(shù)據(jù)到AX，即DX ；端口的字及到AL，DX+1端口的字節(jié)到AHOUTDX,AX ；將AX的字數(shù)據(jù)輸出到以DX表示的端口，即 ；AL輸出到DX端口，AH輸出到DX+1

8.1.5簡單的I/O接口

1．三態(tài)緩沖器，三態(tài)緩沖寄存器三態(tài)，是指電路輸出端具有三種穩(wěn)態(tài)，即1態(tài)(高電平狀態(tài))，0態(tài)(低電平狀態(tài))和第三態(tài)——高阻態(tài)(或稱浮空態(tài))。

可編程接口電路的一般結構圖數(shù)據(jù)線控制線狀態(tài)線DBCBAB數(shù)據(jù)輸入寄存器(or三態(tài)門)數(shù)據(jù)輸出寄存器(鎖存器)狀態(tài)寄存器(or三態(tài)門)命令寄存器譯碼電路控制邏輯接外設接主機74LS244引腳及內(nèi)部結構數(shù)據(jù)輸入三態(tài)緩沖器

三態(tài)緩沖器構成輸入接口8個數(shù)據(jù)輸出端Y,與微機數(shù)據(jù)總線連接;8個數(shù)據(jù)輸入端A,與外設連接;

數(shù)據(jù)允許端1G,2G,將數(shù)據(jù)從A—Y;執(zhí)行IN指令時，CPU發(fā)出讀指令，將數(shù)據(jù)經(jīng)三態(tài)緩沖器加到AL。

8D觸發(fā)器-74LS273數(shù)據(jù)輸出寄存器8個數(shù)據(jù)輸入端1D-8D與數(shù)據(jù)總線連接8個數(shù)據(jù)輸出端1Q-8Q與外設連接。CLK上升沿時數(shù)據(jù)寫入，下降沿可以清除執(zhí)行OUT指令時，CPU發(fā)出指令，將AL中的數(shù)據(jù)寫入該觸發(fā)器，等待輸出。8.2輸入輸出的傳送方式

無條件傳送方式程序控制的輸入輸出中斷控制的輸入輸出直接存儲器存取DMA(DirectMemoryAccess)外設數(shù)據(jù)形式非常多，外設速度也非常多，因此，數(shù)據(jù)傳送的關鍵在于如何進行控制。8.2.1程序控制的輸入輸出無條件傳送方式，同步傳送適用于總是處于準備好狀態(tài)的外設，不需要檢查判斷以下外設可采用無條件傳送方式：開關發(fā)光器件(如發(fā)光二極管、7段數(shù)碼管、燈泡等)繼電器步進電機優(yōu)點：軟件及接口硬件簡單缺點：只適用于簡單外設，適應范圍較窄流程播放無條件傳送：輸入示例MOV DX,160HIN AL,DX無條件傳送：輸入實例MOV DX,160HIN AL,DX74LS244+5V10Kx8G1G2數(shù)據(jù)總線CSRD無條件傳送：輸出示例MOVDX,160HMOVAL,[BX]OUTDX,AL無條件傳送：輸出實例MOVDX,160HMOVAL,[BX]OUTDX,AL+5V74LS373300

x8LEOE數(shù)據(jù)總線CSWR8.2.1程序控制的輸入輸出查詢傳送方式CPU需要先測試（查詢）外設的工作狀態(tài)，然后在外設可以交換信息的情況下（就緒）實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入或輸出對多個外設的情況，則CPU按一定順序依次查詢（輪詢）。先查詢的外設將優(yōu)先進行數(shù)據(jù)交換查詢傳送的特點是：工作可靠，適用面寬，但傳送效率低查詢傳送的兩個環(huán)節(jié)⑴查詢環(huán)節(jié)尋址狀態(tài)口讀取狀態(tài)寄存器的標志位若不就緒就繼續(xù)查詢，直至就緒⑵傳送環(huán)節(jié)尋址數(shù)據(jù)口是輸入，通過輸入指令從數(shù)據(jù)端口讀入數(shù)據(jù)是輸出，通過輸出指令向數(shù)據(jù)端口輸出數(shù)據(jù)輸入狀態(tài)就緒？數(shù)據(jù)交換YN流程8.2.1程序控制的輸入輸出IOR+5V8D鎖存器8位三態(tài)緩沖器譯碼1位三態(tài)緩沖器RQ

A0～A158000H8001HD0～D7D0D輸入設備IORSTBMOVDX,8000H ;DX指向狀態(tài)端口STATUS:INAL,DX ;讀狀態(tài)端口

TESEAL,01H ;測試標志位D0 JZSTATUS ;D0＝0，未就緒，繼續(xù)查詢

INCDX ;D0＝1，就緒，DX指向數(shù)據(jù)端口

INAL,DX ;從數(shù)據(jù)端口輸入數(shù)據(jù)

查詢輸入接口8.2.1程序控制的輸入輸出8D鎖存器譯碼1位三態(tài)緩沖器RQ

A0～A158000H8001HD0～D7D7D+5V輸出設備ACKIOWIOR MOVDX,8000H ;DX指向狀態(tài)端口STATUS:INAL,DX ;讀取狀態(tài)端口的狀態(tài)數(shù)據(jù)

TESTAL,80H ;測試標志位D7 JNZSTATUS;D7＝1，未就緒，繼續(xù)查詢

INXDX ;D7＝0，就緒，DX指向數(shù)據(jù)端口

MOVAL,BUF ;變量buf送AL

OUTDX,AL ;將數(shù)據(jù)輸出給數(shù)據(jù)端口查詢輸出接口8.2.2中斷控制的輸入和輸出斷點主程序中斷服務程序中斷請求對外設進行處理繼續(xù)執(zhí)行返回斷點CPU在執(zhí)行程序中，被內(nèi)部或外部的事件所打斷，轉去執(zhí)行一段預先安排好的中斷服務程序；服務結束后，又返回原來的斷點，繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。流程程序控制電路簡單，清楚但是要不斷測試，只能串行工作效率低。8.2.2中斷控制的輸入和輸出中斷傳送是一種效率更高的程序傳送方式進行傳送的中斷服務程序是預先設計好的中斷請求是外設隨機向CPU提出的CPU對請求的檢測是有規(guī)律的：一般是在每條指令的最后一個時鐘周期采樣中斷請求輸入引腳

8.2.2中斷控制的輸入和輸出8.2.2中斷控制的輸入和輸出中斷請求中斷響應關中斷斷點保護中斷識別現(xiàn)場保護中斷服務恢復現(xiàn)場開中斷中斷返回中斷服務是進行數(shù)據(jù)交換的實質(zhì)性環(huán)節(jié)8.2.3直接存儲器存取

(DMA)方式希望克服程序控制傳送的不足：外設→CPU→存儲器外設←CPU←存儲器直接存儲器存取DMA：外設→存儲器外設←存儲器CPU釋放總線，由DMA控制器管理DMA傳送的工作過程⑴CPU對DMA控制器進行初始化設置⑵外設、DMAC和CPU三者通過應答信號建立聯(lián)系：CPU將總線交給DMAC控制⑶DMA傳送DMA讀存儲器：存儲器→外設DMA寫存儲器：存儲器←外設⑷自動增減地址和計數(shù)，判斷傳送完成否DMA傳送流程HLDA發(fā)存儲器地址傳送數(shù)據(jù)傳送結束？DMA結束修改地址指針流程傳送方式的比較無條件傳送：慢速外設需與CPU保持同步查詢傳送：簡單實用，效率較低中斷傳送：外設主動，可與CPU并行工作，但每次傳送需要大量額外時間開銷DMA傳送：DMAC控制，外設直接和存儲器進行數(shù)據(jù)傳送，適合大量、快速數(shù)據(jù)傳送多種多樣的外設工作原理不同機械、電子、機電、電磁……傳送信息類型多樣數(shù)字量、模擬量、開關量傳送速度差別極大傳送方式不盡相同串行、并行編碼方式不同二進制、BCD碼、ASCII碼……返回輸出接口的鎖存環(huán)節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線外部數(shù)據(jù)引腳鎖存控制DCQDCQDCQ返回輸出接口的鎖存、緩沖環(huán)節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線外部數(shù)據(jù)引腳鎖存控制DCQDCQDCQ讀數(shù)據(jù)返回