微機(jī)原理052課件

1、第5章 輸入/輸出接口 本章概述了微機(jī)系統(tǒng)輸入/輸出接口的基本概念、功能、及CPU與外設(shè)的數(shù)據(jù)傳送方式。具體介紹了I/O接口的概念I(lǐng)/O接口的功能I/O端口的編址方法I/O與CPU之間的三種數(shù)據(jù)傳送方式：查詢式、中斷式及DMA方式 5.1 輸入輸出接口 1. 什么是什么是I/O接口接口輸入/輸出接口電路位于系統(tǒng)總線（或局部總線）與外設(shè)之間，用它來完成系統(tǒng)總線（或局部總線）與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸，完成系統(tǒng)對外設(shè)的控制與響應(yīng)。從硬件上講，接口是介于部件與總線之間的電路，適配兩者完成數(shù)據(jù)傳輸。主機(jī)與外設(shè)通過接口傳送信息，按所傳送信息的內(nèi)容和功能可分為：（1）數(shù)據(jù)信息：數(shù)字量、模擬量、開關(guān)量（2）狀態(tài)信

2、息（3）控制信息2. I/O接口接口的主要功能的主要功能(1).匹配主機(jī)與外設(shè)的速度(2).數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換（如：串并）(3).電平轉(zhuǎn)換（如：RS232信號）(4).數(shù)字量與模擬量之間信號變換(5).傳送主機(jī)命令，反映設(shè)備工作狀態(tài)(6).識別和指示數(shù)據(jù)傳送的地址(7).數(shù)據(jù)輸入輸出3. 接口基本結(jié)構(gòu) 接口電路可以很簡單，簡單得可以由幾個甚至一個三態(tài)門構(gòu)成；以VLSI芯片為主構(gòu)成的接口電路，其復(fù)雜程度有的不亞于8位CPU。接口電路通常做在一塊超大規(guī)模集成電路接口芯片上，根據(jù)需要也有用中小規(guī)模集成電路芯片構(gòu)成的。不同規(guī)模和功能的接口電路，其結(jié)構(gòu)雖各有不同，但一般是由寄存器和控制邏輯兩大部分組成，每部分

3、又包含幾個基本模塊，如下圖所示。(1) 端口寄存器端口寄存器這部分包括輸入緩沖寄存器、輸出緩沖寄存器、控制寄存器和狀態(tài)寄存器，它們是接口電路的核心，每個寄存器表示一個I/O端口端口，對應(yīng)一個I/O端口地址端口地址。數(shù)據(jù)緩沖寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器 輸入緩沖寄存器暫時存放輸入設(shè)備送來的數(shù)據(jù)，供CPU讀取；輸出緩沖寄存器暫時存放CPU送出的數(shù)據(jù)，緩沖后送給輸出設(shè)備。輸入輸出緩沖寄存器在高速CPU與低速外設(shè)之間起到協(xié)調(diào)、緩沖作用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送的同步。數(shù)據(jù)緩沖寄存器通常具有三態(tài)功能?？刂萍拇嫫骺刂萍拇嫫?控制寄存器用來存放CPU發(fā)來的控制命令和有關(guān)信息，以規(guī)定接口電路的功能和工作方式。VLSI接口芯片一般

4、具有可編程特性，一個接口芯片具有多種不同的工作方式和功能，可通過編程來設(shè)定，使用上十分靈活方便。控制寄存器一般是只寫寄存器，其內(nèi)容只能由CPU寫入，不能讀出。狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器 狀態(tài)寄存器記錄外設(shè)的當(dāng)前狀態(tài)和I/O操作狀況。CPU用輸入指令讀取狀態(tài)寄存器的內(nèi)容，從而了解外設(shè)的當(dāng)前狀況和數(shù)據(jù)傳輸過程中發(fā)生的有關(guān)情況，據(jù)此作出相應(yīng)判斷，執(zhí)行相應(yīng)操作，使主機(jī)能安全可靠地通過接口完成數(shù)據(jù)傳輸。(2) 控制邏輯電路控制邏輯電路為確保CPU通過接口正確地傳輸數(shù)據(jù)，接口中還必須包含如下的控制邏輯電路。數(shù)據(jù)總線緩沖器數(shù)據(jù)總線緩沖器 接口芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)總線經(jīng)數(shù)據(jù)總線緩沖器與系統(tǒng)總線相連接；如果芯片負(fù)載較重，可在

5、片外再加一級總線緩沖與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連。地址譯碼地址譯碼 系統(tǒng)地址總線高位經(jīng)片外的地址譯碼器譯碼來選擇接口芯片，低位地址線在片內(nèi)譯碼后選擇接口芯片內(nèi)部相應(yīng)的端口寄存器，使CPU正確無誤地與指定的外設(shè)完成相應(yīng)的I/O操作。內(nèi)部控制邏輯內(nèi)部控制邏輯 接收來自系統(tǒng)的控制輸入，產(chǎn)生接口電路內(nèi)部的控制信號，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制總線與內(nèi)部控制信號之間的轉(zhuǎn)換。聯(lián)絡(luò)控制邏輯聯(lián)絡(luò)控制邏輯 接收CPU有關(guān)控制信號，生成給外設(shè)的準(zhǔn)備好信號和相應(yīng)的狀態(tài)；接收外設(shè)的選通信號，產(chǎn)生相應(yīng)狀態(tài)標(biāo)志和中斷請求信號。上圖是接口電路的通常組成，并非所有接口全部具備。一般而言，數(shù)據(jù)緩沖寄存器、端口地址譯碼器和輸入輸出控制邏輯是不可少的，其它

6、部分視接口功能強(qiáng)弱和I/O操作的同步方式而定。 4. I/O端口編址 I/O端口與端口與存儲器存儲器統(tǒng)一統(tǒng)一編址編址這種編址方式，把I/O端口同存儲器的存儲單元一樣看待，統(tǒng)一編址。 在可尋址的存儲空間中，劃出一部分作為I/O端口空間地址，其余大部分用作內(nèi)存單元，I/O端口和內(nèi)存單元有不同的地址編號。在該方式中CPU對存儲單元的讀/寫和對I/O端口的輸入/輸出操作都用訪問存儲器指令，而不用輸入輸出指令，即控制信號IO/-M(對PC/XT機(jī)對而言)都為低電平，而由地址總線上的碼值（地址碼）區(qū)分訪問對象是存儲單元還是I/O端口，控制信號或指明是讀(輸入)還是寫(輸出)。這種方式CPU對存儲器和I/O

7、端口的訪問如下圖（左）所示。優(yōu)點(diǎn)：可使用存儲器尋址方式對端口尋址，尋址方式靈活。缺點(diǎn)：I/O端口地址占用存儲器地址空間。M6800、單片機(jī)通常采用這種編址方法。 I/O端口獨(dú)立編址端口獨(dú)立編址I/O端口和內(nèi)存單元各自獨(dú)立編址，CPU訪問I/O端口須用專門的輸入輸出指令。PC系列機(jī)的輸入和輸出指令中，直接尋址I/O端口時用一個字節(jié)的地址碼，故可尋址28=256個端口；寄存器間接尋址I/O端口用DX表示地址碼，有16位，可尋址216=65536個端口。但PC/XT機(jī)一般用低10位地址線來表示I/O端口，因此該系統(tǒng)中可安排的I/O端口最多為1024個(210)。在該編址方式中地址總線上出現(xiàn)的地址碼究

8、竟表示存儲單元地址還是I/O端口地址，以控制信號IO/-M來區(qū)分：低電平則表明地址碼是存儲單元地址，CPU對存儲器進(jìn)行讀寫；高電平則表明地址碼是I/O端口地址，CPU執(zhí)行輸入輸出操作。采用這種編址方式，CPU必須以專用的I/O指令訪問I/O端口，即CPU以IN類指令輸入(讀)數(shù)據(jù)，以O(shè)UT類指令輸出(寫)數(shù)據(jù)。這種編址方式CPU對存儲器和I/O端口的訪問如下圖（右）所示。優(yōu)點(diǎn)：I/O端口地址不占用存儲空間。指令地址較短，所需譯碼硬件較少。指令格式較短，執(zhí)行時間也短。 缺點(diǎn)：對端口的尋址方式較少。 5. 微機(jī)I/O端口地址配置及I/O端口尋址 CPU可尋址的I/O空間為64KB。PC/AT機(jī)只使

9、用了16位地址線中的10位(A9A0)對外設(shè)接口電路進(jìn)行編址，可尋址1024個I/O端口(000H3FFH)。當(dāng)A9A800時對系統(tǒng)板上的接口芯片尋址，共256個端口(000H0FFH)；當(dāng)A9A800時對I/O通道上的插件電路尋址，共768個端口(100H3FFH)。其中300H31FH是留給用戶實(shí)驗(yàn)卡用的。(1) 直接尋址直接尋址I/O端口端口輸入輸出指令中，在操作碼后面用一個字節(jié)的無符號數(shù)來表示I/O端口地址。因此直接尋址的I/O端口數(shù)為256個字節(jié)端口。在PC系列機(jī)中，可用AL一次輸入/輸出一個字節(jié)，也可用AX一次輸入/輸出一個字。 IN AL,PORT ;AL(PORT)字節(jié)端口內(nèi)容

10、 IN AX,PORT ;AX(PORT)字端口內(nèi)容 OUT PORT,AL ;(PORT)字節(jié)端口AL OUT PORT,AX ;(PORT)字端口AX(2) DX間接尋址間接尋址I/O端口端口在輸入輸出指令中，用DX的當(dāng)前內(nèi)容表示所尋找的I/O端口地址；DX有16位，DX間接尋址的I/O端口數(shù)大為增加?？煞謩e用AL、AX一次輸入/輸出一個字節(jié)、一個字。IN AL,DX ;ALDX指向的字節(jié)端口內(nèi)容IN AX,DX ;AXDX指向的字端口內(nèi)容OUT DX,AL ;DX指向的字節(jié)端口ALOUT DX,AX ;DX指向的字端口AX 高位地址與控制信號組合用于地址譯碼，產(chǎn)生片選信號，高位地址與控制

11、信號組合用于地址譯碼，產(chǎn)生片選信號，實(shí)現(xiàn)片間尋址實(shí)現(xiàn)片間尋址 。低位地址不參與地址譯碼，僅用于對片內(nèi)端。低位地址不參與地址譯碼，僅用于對片內(nèi)端口的尋址，實(shí)現(xiàn)對片內(nèi)的寄存器尋址，口的尋址，實(shí)現(xiàn)對片內(nèi)的寄存器尋址，即選擇片內(nèi)不同的端即選擇片內(nèi)不同的端口口 。6、I/O地址分配原則地址分配原則（補(bǔ)充內(nèi)容）（補(bǔ)充內(nèi)容）1)、固定式地址譯碼、固定式地址譯碼 “固定式固定式”是指譯碼電路設(shè)計(jì)完成后，接口中用到的端口是指譯碼電路設(shè)計(jì)完成后，接口中用到的端口地址不能改變。地址不能改變。 例例1：使用：使用74LS20/30/32和和74LS04設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)I/O端口地址為端口地址為2F8H 的只讀譯碼電路。的只讀

12、譯碼電路。 地址線：地址線： A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 二進(jìn)制：二進(jìn)制： 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 十六進(jìn)制：十六進(jìn)制： 2 F 8 7、地址譯碼器設(shè)計(jì)、地址譯碼器設(shè)計(jì) （補(bǔ)充內(nèi)容）（補(bǔ)充內(nèi)容）譯碼電路輸入：譯碼電路輸入： 地址值：地址值：2 2F F8 8H H地址線地址線: 10: 10根，根，A9A9A0=A0=10101111111110001000 B B，控制線：控制線： 、 （讀有效）（讀有效）譯碼電路輸出：譯碼電路輸出： 為譯碼選中。為譯碼選中。 0AEN0IOR0Y例例2：由或非門和與非門構(gòu)成的譯碼電路：由或非門和與非門構(gòu)成的譯

13、碼電路例例3：由：由74LS138構(gòu)成的譯碼電路構(gòu)成的譯碼電路 對于前面講的譯碼器只能譯出一個端口地址，不對于前面講的譯碼器只能譯出一個端口地址，不能適于端口地址較多的情況。為此，可以使用某些專能適于端口地址較多的情況。為此，可以使用某些專用譯碼芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，比如用譯碼芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，比如74LS138。 240H247H278H27FH268H26FH2)、可選式地址譯碼器、可選式地址譯碼器 7、地址譯碼器設(shè)計(jì)、地址譯碼器設(shè)計(jì)（補(bǔ)充內(nèi)容）（補(bǔ)充內(nèi)容） 練習(xí)：練習(xí)： 某芯片需要的片選信號地址為某芯片需要的片選信號地址為2F02F7H，請使，請使用用74LS138設(shè)計(jì)滿足要求的地址譯碼器。設(shè)計(jì)滿足

14、要求的地址譯碼器。？ 地址線：地址線： A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 二進(jìn)制：二進(jìn)制： 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 十六進(jìn)制：十六進(jìn)制： 2 F 0 5.2 I/O數(shù)據(jù)傳輸方式 通常CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式有三種：程序控制的輸入和輸出中斷控制的輸入和輸出直接存儲器存?。―MA）方式1.程序控制的輸入/輸出方式 程序控制的輸入/輸出方式以CPU為中心，數(shù)據(jù)傳送的控制來自CPU，通過執(zhí)行預(yù)先編制的輸入/輸出程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。此方式的前提是預(yù)先知道何時進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。可以把相關(guān)I/O指令插入到程序中相應(yīng)位置。 程序傳送方式可分為無條件傳送和查詢傳送方式。

15、無條件傳送方式 無條件傳輸方式又稱同步傳送方式。在傳送信息時，已知外部設(shè)備是準(zhǔn)備好的狀態(tài)，所以輸入輸出時都不需要查詢外部設(shè)備的狀態(tài)。在輸入或輸出時，相應(yīng)給出IN或OUT指令即可。但這種方式必須確信外部設(shè)備已準(zhǔn)備好的狀態(tài)才可使用，否則就會出錯，故很少使用。 無條件傳送的接口電路(輸入/輸出）如下所示。MOV DX，PORT ；端口地址為；端口地址為PORTMOV AL，DATA ；顯示數(shù)據(jù)為；顯示數(shù)據(jù)為DATAOUT DX，AL ；發(fā)送數(shù)據(jù)；發(fā)送數(shù)據(jù)查詢傳送亦稱條件傳送，CPU與接口之間有一個應(yīng)答過程，所以又稱異步傳送。大多數(shù)外設(shè)數(shù)據(jù)傳送、處理的速度較慢，跟不上CPU的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，為使傳送可靠，程

16、序需要了解外設(shè)的動態(tài)情況后才決定是否進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。在數(shù)據(jù)傳送之前，程序首先測試外設(shè)的狀態(tài)，當(dāng)狀態(tài)符合規(guī)定的條件(比如輸入設(shè)備的下一個輸入數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，或輸出接口已經(jīng)將前一個輸出的數(shù)據(jù)送往輸出設(shè)備)就進(jìn)行輸入或輸出操作，否則就踏步等待或轉(zhuǎn)入其它程序段。因此，查詢傳送方式的接口電路中必須有表征外設(shè)工作狀態(tài)的觸發(fā)器或寄存器以供CPU查詢。查詢式輸入 查詢方式輸入接口電路如下圖（左）所示。 當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好時，輸入設(shè)備發(fā)出選通信號脈沖，一方面送到鎖存器時鐘端(CP)將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)送入鎖存器，另一方面送到Ready(準(zhǔn)備好)觸發(fā)器的時鐘端(CP)，將該觸發(fā)器置為1(因?yàn)樵揇觸發(fā)器的D端接高電平+5V)，表示

17、輸入數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒。 CPU輸入數(shù)據(jù)時首先查詢輸入狀態(tài)端口：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒否？程序流程圖如下圖（右）所示，程序如下： RPLI:IN AL,PSTATUS ;讀入狀態(tài)TEST AL,01H ;查狀態(tài) JZ RPLI ;未準(zhǔn)備好,踏步檢查 IN AL,PDATAI;準(zhǔn)備好輸入數(shù)據(jù) 查詢式輸出 查詢方式輸出接口電路如下所示。當(dāng)輸出設(shè)備完成當(dāng)前數(shù)據(jù)的輸出操作后就來取走CPU送至鎖存器中的數(shù)據(jù)，同時發(fā)出一個響應(yīng)信號，使?fàn)顟B(tài)觸發(fā)器BUSY(忙觸發(fā)器)異步置零(表示輸出數(shù)據(jù)端口中數(shù)據(jù)已空)。CPU在輸出數(shù)據(jù)前要先查詢輸出接口的狀態(tài)，若輸出端口數(shù)據(jù)已空則向該端口輸出數(shù)據(jù)，否則(未空)表示輸出設(shè)備還未將前一個輸出

18、的數(shù)據(jù)取走，CPU繼續(xù)輸入并測試狀態(tài)位。程序如下： RPLO: IN AL,PSTATUS TEST AL,80H JNZ RPLO MOV AL,SI OUT PTADAO,AL 2. 中斷控制的輸入和輸出 查詢傳送雖然簡單可靠，但效率低下主機(jī)要花費(fèi)大量時間查詢外設(shè)狀態(tài)，等待外設(shè)上一次的輸入輸出過程完成。即主機(jī)和外設(shè)在外設(shè)工作的絕大部分時間內(nèi)只能串行工作，而外設(shè)I/O 操作速度比主機(jī)慢得多，使得CPU利用率和系統(tǒng)效率大大降低。主機(jī)在一個時間段內(nèi)只能詢問一臺外設(shè)的狀態(tài)， 與其交換數(shù)據(jù)；因此各個外設(shè)在I/O操作完成后也只能串行等待CPU來詢問，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的效率。中斷方式可以克服上述缺點(diǎn)在中

19、斷傳送方式中各個外設(shè)和主機(jī)并行工作，進(jìn)行各自的輸入或輸出操作。當(dāng)某臺外設(shè)完成了自身的輸入或輸出操作(即完成了下一個數(shù)據(jù)傳送的準(zhǔn)備)時，便向CPU申請中斷，CPU收到中斷請求信號后，可暫停正在運(yùn)行的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行為該外設(shè)服務(wù)的中斷服務(wù)子程序，完成主機(jī)與外設(shè)間的數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)傳送完畢仍返回原來被中斷的主程序繼續(xù)執(zhí)行。 外設(shè)的I/O操作速度較慢，中斷傳送方式恰恰在這段較慢的過程中讓主機(jī)和各個外設(shè)并行工作；僅僅在外設(shè)I/O過程完成后要求與主機(jī)交換數(shù)據(jù)時才暫停CPU主程序運(yùn)行，而CPU傳送輸入輸出的數(shù)據(jù)到端口是很快的，因此中斷方式基本實(shí)現(xiàn)了主機(jī)和外設(shè)的并行工作。中斷方式的接口電路如下圖所示。 3. DM

20、A（直接存儲器存取）方式 中斷傳送方式要中斷主程序，每次都要保護(hù)斷點(diǎn)、保護(hù)現(xiàn)場、進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，中斷服務(wù)完畢又要恢復(fù)現(xiàn)場、恢復(fù)斷點(diǎn)、返回主程序，操作繁多步驟重復(fù)，對低速外設(shè)和數(shù)據(jù)量不大的I/O操作，這些缺點(diǎn)不明顯，中斷傳送不失為一種行之有效的傳送方式。但對成批高速數(shù)據(jù)傳輸效率就較低，這時常采用DMA(Direct Memory Access：直接存儲器存取)方式。DMADMA傳送傳送的的基本思想基本思想:在存儲器和外設(shè)之間建立起直接的數(shù)據(jù)傳送通路，即不經(jīng)由CPU，而由專門的DMA控制器實(shí)現(xiàn)存儲器和外設(shè)之間的操作。于是，傳送就不必進(jìn)行保護(hù)現(xiàn)場等一系列額外操作，從而減輕了CPU的負(fù)擔(dān)，因此特別適合于高速度大批量數(shù)據(jù)傳送的場合。但是，這種方式要增設(shè)DMA控制器，硬件電路比前兩種方式更為復(fù)雜。 一般情況下CPU控制、管理著系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線，運(yùn)行程序；而當(dāng)進(jìn)入DMA方式(內(nèi)存和外設(shè)直接交換數(shù)據(jù))時，CPU讓出上述三類總線：CPU連接這些總線的三態(tài)門處于高阻狀態(tài)，而由DMAC對總線進(jìn)行控制和管理，直接溝