第5章輸入輸出與接口技術(shù)

1、1第第5章章 輸入輸出與接口技術(shù)輸入輸出與接口技術(shù) 25.1 接口概述接口概述3 微機(jī)和微機(jī)和I/O設(shè)備的信息類型和格式可能不一樣。設(shè)備的信息類型和格式可能不一樣。 微機(jī)和微機(jī)和I/O設(shè)備信號(hào)傳輸處理的速度可能不匹配。設(shè)備信號(hào)傳輸處理的速度可能不匹配。 不用接口，不用接口， I/O直接接直接接CPU，隨著外設(shè)增加，會(huì)，隨著外設(shè)增加，會(huì)大大降低大大降低CPU的效率。的效率。 I/O直接接直接接CPU，會(huì)使外設(shè)硬件結(jié)構(gòu)過(guò)于依賴，會(huì)使外設(shè)硬件結(jié)構(gòu)過(guò)于依賴CPU，對(duì)外設(shè)本身發(fā)展不利。，對(duì)外設(shè)本身發(fā)展不利。4CPU接口接口外設(shè)外設(shè)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)控制信號(hào)控制信號(hào)控制信號(hào)控制信號(hào)狀態(tài)信號(hào)狀態(tài)信號(hào)狀態(tài)信號(hào)狀

2、態(tài)信號(hào)可能是單向的可能是單向的5通過(guò)寄存器或鎖存器實(shí)現(xiàn)。通過(guò)寄存器或鎖存器實(shí)現(xiàn)。接口中存放數(shù)據(jù)的寄存器或鎖存器稱之為接口中存放數(shù)據(jù)的寄存器或鎖存器稱之為接口中存放接口中存放CPU命令代碼的寄存器稱之為命令代碼的寄存器稱之為 接口中存放執(zhí)行狀態(tài)信息的寄存器稱之為接口中存放執(zhí)行狀態(tài)信息的寄存器稱之為CPU通過(guò)地址譯碼選擇不同外設(shè)。通過(guò)地址譯碼選擇不同外設(shè)。即即CPU通過(guò)地址譯碼選擇不同通過(guò)地址譯碼選擇不同I/O接口和接口和I/O接口中接口中連接的不同的設(shè)備。連接的不同的設(shè)備。協(xié)調(diào)總線信號(hào)與協(xié)調(diào)總線信號(hào)與I/O設(shè)備信號(hào)。設(shè)備信號(hào)。轉(zhuǎn)換包括信號(hào)的邏輯關(guān)系、時(shí)序配合和電平轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換包括信號(hào)的邏輯關(guān)系、時(shí)

3、序配合和電平轉(zhuǎn)換。增加接口的靈活性和智能性。增加接口的靈活性和智能性。6 接口由接口硬件和接口軟件組成。接口由接口硬件和接口軟件組成。7接口緩沖寄存器與外設(shè)間的數(shù)據(jù)交換；接口緩沖寄存器與外設(shè)間的數(shù)據(jù)交換；外設(shè)工作狀態(tài)送給接口的狀態(tài)寄存器；外設(shè)工作狀態(tài)送給接口的狀態(tài)寄存器；接口的內(nèi)部控制邏輯控制外設(shè)工作的控制接口的內(nèi)部控制邏輯控制外設(shè)工作的控制信號(hào)和同步信號(hào)。信號(hào)和同步信號(hào)。選擇選擇I/O接口中的不同寄存器接口中的不同寄存器(端口端口)；命令或數(shù)據(jù)寫入到相應(yīng)寄存器，或者從相關(guān)命令或數(shù)據(jù)寫入到相應(yīng)寄存器，或者從相關(guān)寄存器讀出數(shù)據(jù)或狀態(tài)；寄存器讀出數(shù)據(jù)或狀態(tài)；控制命令的執(zhí)行、時(shí)序、信號(hào)同步和片選；控

4、制命令的執(zhí)行、時(shí)序、信號(hào)同步和片選；接口的部分工作狀態(tài)信號(hào)。接口的部分工作狀態(tài)信號(hào)。根據(jù)控制寄存器、狀態(tài)寄存器、總線控制信號(hào)及外根據(jù)控制寄存器、狀態(tài)寄存器、總線控制信號(hào)及外設(shè)狀態(tài)信號(hào)控制設(shè)狀態(tài)信號(hào)控制I/O接口的工作。接口的工作。8PS2鼠標(biāo)鼠標(biāo)PS2鍵盤鍵盤千兆網(wǎng)千兆網(wǎng)10/100M網(wǎng)卡網(wǎng)卡USB并行口并行口MIDI/游戲接口游戲接口VGA接口接口13941394a音箱音箱/線入線入/麥克風(fēng)接口麥克風(fēng)接口串行口串行口9聲道輸入聲道輸入前置揚(yáng)聲器輸出前置揚(yáng)聲器輸出麥克風(fēng)輸入麥克風(fēng)輸入中置與重低音中置與重低音后置揚(yáng)聲器輸出后置揚(yáng)聲器輸出側(cè)置揚(yáng)聲器輸出側(cè)置揚(yáng)聲器輸出10設(shè)置接口工作方式及初始條件。

5、設(shè)置接口工作方式及初始條件。CPU針對(duì)不同的針對(duì)不同的I/O設(shè)備有不同設(shè)備有不同的處理方式。如設(shè)置中斷向量等。的處理方式。如設(shè)置中斷向量等。完成接口任務(wù)的程序。完成接口任務(wù)的程序。對(duì)接口電路硬件保護(hù)及操作對(duì)接口電路硬件保護(hù)及操作系統(tǒng)中數(shù)據(jù)恢復(fù)。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)恢復(fù)。提供人提供人-機(jī)對(duì)話手段。機(jī)對(duì)話手段。11是供是供CPU直接存取訪問(wèn)的接口中的寄存器或直接存取訪問(wèn)的接口中的寄存器或電路。電路。接口中的命令口、狀態(tài)口和數(shù)據(jù)口均為接口中的命令口、狀態(tài)口和數(shù)據(jù)口均為I/O端口。端口。是對(duì)接口中的不同寄存器或電路的編號(hào)，該編號(hào)加是對(duì)接口中的不同寄存器或電路的編號(hào)，該編號(hào)加上該接口的基地址稱為該端口的上該接口的

6、基地址稱為該端口的CPU通過(guò)向命令端口發(fā)命令來(lái)對(duì)接口，最終對(duì)設(shè)備通過(guò)向命令端口發(fā)命令來(lái)對(duì)接口，最終對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。進(jìn)行控制。一個(gè)接口中有多個(gè)一個(gè)接口中有多個(gè)I/O端口；端口；一個(gè)一個(gè)I/O端口可接受多種命令，對(duì)應(yīng)多個(gè)寄存器。端口可接受多種命令，對(duì)應(yīng)多個(gè)寄存器。5.2 I/O編址與訪問(wèn)編址與訪問(wèn)12一個(gè)一個(gè)I/O端口等同于一個(gè)存儲(chǔ)器單元。端口等同于一個(gè)存儲(chǔ)器單元。存儲(chǔ)單元和存儲(chǔ)單元和I/O端口統(tǒng)一編址。端口統(tǒng)一編址。 對(duì)對(duì)I/O端口的訪問(wèn)命令與對(duì)存儲(chǔ)器單元訪問(wèn)相同，端口的訪問(wèn)命令與對(duì)存儲(chǔ)器單元訪問(wèn)相同，不必使用專用不必使用專用I/O指令；指令； 外設(shè)數(shù)目或外設(shè)數(shù)目或I/O寄存器數(shù)幾乎不受限制。寄

7、存器數(shù)幾乎不受限制。 系統(tǒng)讀寫控制邏輯較簡(jiǎn)單。系統(tǒng)讀寫控制邏輯較簡(jiǎn)單。 I/O端口占用部分端口占用部分MEM空間，可用空間，可用MEM空間減??；空間減?。?對(duì)對(duì)MEM訪問(wèn)指令較長(zhǎng)，執(zhí)行速度較慢；訪問(wèn)指令較長(zhǎng)，執(zhí)行速度較慢； I/O端口地址譯碼時(shí)間較長(zhǎng)。端口地址譯碼時(shí)間較長(zhǎng)。MEMMEM空間空間I/OI/O空間空間N-1KK-10存儲(chǔ)類指令存儲(chǔ)類指令Motorola系列和系列和Apple 系列均采用此方式系列均采用此方式13 I/O端口地址空間與存儲(chǔ)器地址空間相互獨(dú)立。端口地址空間與存儲(chǔ)器地址空間相互獨(dú)立。Z-80系列和系列和x86系列均采用此方式。系列均采用此方式。 MEM地址空間不受地址空間

8、不受I/O端口地址空間影響；端口地址空間影響； I/O端口數(shù)量不多，占用地址線少，地址譯碼簡(jiǎn)端口數(shù)量不多，占用地址線少，地址譯碼簡(jiǎn)單，速度較快，使得此類指令執(zhí)行速度快；單，速度較快，使得此類指令執(zhí)行速度快； 使用專用使用專用I/O命令命令(IN/OUT)，與，與MEM訪問(wèn)命令訪問(wèn)命令(LOAD/STORE、MOV)有明顯區(qū)別有明顯區(qū)別,便于理解和便于理解和檢查。檢查。MEMMEMI/OI/O設(shè)備設(shè)備N-1N-10 0存儲(chǔ)類指令存儲(chǔ)類指令I(lǐng)/OI/O類指令類指令K-1K-10 014支持支持I/O獨(dú)立編址方式和獨(dú)立編址方式和I/O統(tǒng)一編統(tǒng)一編址（存儲(chǔ)器映象編址）方式。址（存儲(chǔ)器映象編址）方式。僅

9、支持僅支持I/O獨(dú)立編址方式。獨(dú)立編址方式。 專用專用I/O指令增加指令系統(tǒng)復(fù)雜性，且指令增加指令系統(tǒng)復(fù)雜性，且I/O指令類型指令類型少，尋址方式也少，程序設(shè)計(jì)靈活性較差；少，尋址方式也少，程序設(shè)計(jì)靈活性較差； 要求處理器提供要求處理器提供MEMR#/MEMW#和和IOR#/IOW#兩兩組控制信號(hào)，增加了控制邏輯的復(fù)雜性。組控制信號(hào)，增加了控制邏輯的復(fù)雜性。15有有64K個(gè)獨(dú)立編址的個(gè)獨(dú)立編址的8位端口空間。位端口空間。兩個(gè)連續(xù)兩個(gè)連續(xù)8位端口可作為位端口可作為16位端口，位端口，4個(gè)連續(xù)的個(gè)連續(xù)的8位端口位端口可作為可作為32位端口處理。注意端口地址對(duì)齊。位端口處理。注意端口地址對(duì)齊。源于源

10、于IBM PC借用借用和和以及以及組成。組成。16I/O芯片名稱芯片名稱 地址范圍地址范圍 DMAC1DMAC2DMA頁(yè)面寄存器頁(yè)面寄存器 0000-001FH00C0-00DFH0080-009FH 中斷控制器中斷控制器1中斷控制器中斷控制器2 0020-003FH00A0-00BFH 定時(shí)器定時(shí)器并行接口芯片并行接口芯片(鍵盤接口鍵盤接口)RT/CMOS RAM協(xié)處理器（現(xiàn)保留）協(xié)處理器（現(xiàn)保留） 0040-005FH0060-006FH0070-007FH00F0-00FFH 17I/O接口名稱接口名稱 地址范圍地址范圍 游戲控制卡游戲控制卡 0200-020FH 并行口控制卡并行口控制

11、卡1并行口控制卡并行口控制卡2 0370-037FH0270-027FH 串行口控制卡串行口控制卡1串行口控制卡串行口控制卡2 03F8-03FFH02F8-02FFH 原型插件板原型插件板(用戶可用用戶可用) 0300-031FH 同步通信卡同步通信卡1同步通信卡同步通信卡2 03A0-03AF0380-038FH 單顯單顯MDA彩顯彩顯CGA彩顯彩顯EGA/VGA 03B0-03BFH03D0-03DFH03C0-03CFH 軟驅(qū)控制卡軟驅(qū)控制卡硬驅(qū)控制卡硬驅(qū)控制卡 03F0-03FFH01F0-01FFH PC網(wǎng)卡網(wǎng)卡 0360-036FH 18I/O端口支持直接尋址和間接尋址方式。端口

12、支持直接尋址和間接尋址方式。是使用一字節(jié)立即數(shù)尋址，端口尋址范圍為是使用一字節(jié)立即數(shù)尋址，端口尋址范圍為00HFFH共共256個(gè)。個(gè)。是使用是使用DX寄存器間接給出寄存器間接給出I/O端口地址，可端口地址，可尋址的范圍是尋址的范圍是0000HFFFFH共共64K個(gè)端口。個(gè)端口。IN、OUT。完成完成I/O端口和端口和EAX、AX、AL之間的數(shù)據(jù)傳之間的數(shù)據(jù)傳送，可使用直接尋址和間接尋址方式。送，可使用直接尋址和間接尋址方式。 舉例：舉例：mov dx, 3fdhmov al, 36h in al, dxout 43h, al19INSB/W/D、OUTSB/W/D。用用DX指定指定I/O端口地

13、址，輸入端口地址，輸入/輸出時(shí)的目的輸出時(shí)的目的/源源RAM地址用地址用ES:DI(EDI)/DS:SI(ESI)指定。指定。EFLAG寄存器中寄存器中DF位來(lái)決定地址加和減。位來(lái)決定地址加和減。通過(guò)前綴通過(guò)前綴REP在在I/O端口和連續(xù)的存儲(chǔ)器空間端口和連續(xù)的存儲(chǔ)器空間之間傳送數(shù)據(jù)之間傳送數(shù)據(jù) CPU通過(guò)通過(guò)I/O指令對(duì)指令對(duì)I/O接口進(jìn)行訪問(wèn)。接口進(jìn)行訪問(wèn)。IN、OUT。inportb(inport)、outportb(outport)。_inp(_inpw)、_outp(_outpw)。20讀取讀取CMOS信息。信息。main() short int i, j; unsigned cha

14、r c_CmosMessage64; for (i=0;i=63;i+) j=i|0 x80 outportb(0 x70,j); c_CmosMessagei=inportb(0 x71) ; printf(CMOS信息讀取完畢。信息讀取完畢。n); 21或或A19A16/S6S322作業(yè)作業(yè)1 請(qǐng)參照上頁(yè)請(qǐng)參照上頁(yè)OUT 43H, AL 指令的時(shí)序圖指令的時(shí)序圖畫出畫出的時(shí)序圖，假設(shè)從的時(shí)序圖，假設(shè)從21H端端口中讀到的數(shù)據(jù)是口中讀到的數(shù)據(jù)是02H，21H是是8259芯片芯片的一個(gè)端口地址。的一個(gè)端口地址。23保護(hù)通過(guò)比較當(dāng)前任務(wù)的特權(quán)級(jí)保護(hù)通過(guò)比較當(dāng)前任務(wù)的特權(quán)級(jí)CPL和和的的IOPL字

15、段實(shí)現(xiàn)的。字段實(shí)現(xiàn)的。若若CPL IOPL，可執(zhí)行，可執(zhí)行IN、OUT、INS、OUTS、CLI、STI等敏感指令等敏感指令(對(duì)對(duì)IOPL敏感敏感)；否則不行。；否則不行。每個(gè)任務(wù)都有自己的每個(gè)任務(wù)都有自己的IOPL，用以表示指定的，用以表示指定的I/O操作操作處于特權(quán)級(jí)的哪一級(jí)。它在處于特權(quán)級(jí)的哪一級(jí)。它在EFLAGS中。中。 0級(jí)特權(quán)的級(jí)特權(quán)的過(guò)程可通過(guò)過(guò)程可通過(guò)POPF和和IRET指令修改任務(wù)的指令修改任務(wù)的IOPL。 24I/O允許位映象用來(lái)修正允許位映象用來(lái)修正IOPL對(duì)對(duì)I/O敏感指令的影響，敏感指令的影響，允許低特權(quán)的程序訪問(wèn)某些允許低特權(quán)的程序訪問(wèn)某些I/O端口。端口。I/O允

16、許位映象是一個(gè)位向量，每位對(duì)應(yīng)一個(gè)端口的允許位映象是一個(gè)位向量，每位對(duì)應(yīng)一個(gè)端口的操作權(quán)限操作權(quán)限(0表示允許表示允許)。操作系統(tǒng)可通過(guò)改變?nèi)蝿?wù)操作系統(tǒng)可通過(guò)改變?nèi)蝿?wù)TSS中的中的I/O允許映象來(lái)允許映象來(lái)為某任務(wù)分配端口。（一定是在為某任務(wù)分配端口。（一定是在0級(jí)）級(jí)）25執(zhí)行執(zhí)行in, out指令指令CPL IOPL？ IOPM相關(guān)位相關(guān)位=0？ 進(jìn)行進(jìn)行I/O操作操作否否否否產(chǎn)生一個(gè)一產(chǎn)生一個(gè)一般保護(hù)異常般保護(hù)異常 是是是是是對(duì)所有是對(duì)所有VM都都起作用的權(quán)限機(jī)制，它以起作用的權(quán)限機(jī)制，它以位（位（bit）來(lái)代表每個(gè)端）來(lái)代表每個(gè)端口。某位為口。某位為1，則該代表，則該代表的端口被禁止訪

17、問(wèn)；某位的端口被禁止訪問(wèn)；某位為為0；則允許訪問(wèn)該位所；則允許訪問(wèn)該位所代表的端口。代表的端口。用以表示指定的用以表示指定的I/O操作處操作處于特權(quán)級(jí)的哪一級(jí)。它在于特權(quán)級(jí)的哪一級(jí)。它在EFLAGS中。中。當(dāng)前段的當(dāng)前段的I/O優(yōu)先級(jí)，它實(shí)優(yōu)先級(jí)，它實(shí)際上是際上是CS段選擇符的第段選擇符的第0第第1位。位。 26執(zhí)行執(zhí)行in, out指令指令I(lǐng)OPM相關(guān)位相關(guān)位=0？ 進(jìn)行進(jìn)行I/O操作操作否否產(chǎn)生一個(gè)一產(chǎn)生一個(gè)一般保護(hù)異常般保護(hù)異常 是是27地址線低位直接組成。地址線低位直接組成。5.3 I/O端口地址譯碼方法端口地址譯碼方法其有效表明該接口芯片可以通過(guò)其有效表明該接口芯片可以通過(guò)系統(tǒng)總線與

18、系統(tǒng)總線與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換進(jìn)行數(shù)據(jù)交換使用使用IOW#/IOR#信號(hào)信號(hào)(有效有效)、AEN信號(hào)信號(hào)(無(wú)效無(wú)效)和地址和地址線高位（接口基地址）經(jīng)過(guò)譯碼得到片選信號(hào)。線高位（接口基地址）經(jīng)過(guò)譯碼得到片選信號(hào)。28接口中只有一個(gè)端口時(shí)可采用門電路構(gòu)成。接口中只有一個(gè)端口時(shí)可采用門電路構(gòu)成。 接口中有多個(gè)端口時(shí)一般采用譯碼器電路構(gòu)成，常接口中有多個(gè)端口時(shí)一般采用譯碼器電路構(gòu)成，常見(jiàn)的譯碼器有見(jiàn)的譯碼器有74LS138、74LS154等。等。G1=1，G2A # =G2B # =0。將復(fù)合的輸入信號(hào)變?yōu)槊杜e的將復(fù)合的輸入信號(hào)變?yōu)槊杜e的輸出信號(hào)。輸出信號(hào)。15Y0#Y7#ABCG2B#G2A#G11

19、4131211109712345674LS13829輸輸 入入輸輸 出出G G1 1G G2A2A#G#G2B2B# #C B AC B AY Y7 7 Y Y6 6 Y Y5 5 Y Y4 4 Y Y3 3 Y Y2 2 Y Y1 1 Y Y0 01 0 01 0 00 0 00 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 01 0 01 0 00 0 10 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 11 0 01 0 00 1 00 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 11 0 01 0 00 1 10 1

20、1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 11 0 01 0 01 0 01 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 11 0 01 0 01 0 11 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 11 0 01 0 01 1 01 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 11 0 01 0 01 1 11 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 10 X X0 X XX X XX X X 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1X 1 XX

21、1 XX X XX X X 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1X X 1X X 1X X XX X X 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 130Y0#Y7#ABCG2B#G2A#G11514131211109712345674LS138A5A6A7A8A9AEN#DMACS#(8237)INTRCS#(8259)T/C CS#(8253)PPICS#(8255)WRTDMAPG#11WRTNMIREG#IOW#31DMA825982538255系統(tǒng)系統(tǒng)空閑空閑00H20H40H60H3FFH1FH3FH5FH7FH：數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線

22、地址總線控制總線控制總線CPUCS#設(shè)設(shè)備備側(cè)側(cè)信信號(hào)號(hào)CS#設(shè)設(shè)備備側(cè)側(cè)信信號(hào)號(hào)82598253MEMY0Y71514131211109774LS13832當(dāng)當(dāng)P07Q07時(shí)，時(shí)， P=1，輸出高電平。，輸出高電平。當(dāng)當(dāng)P07=Q07時(shí)，時(shí)， P=0，輸出低電平。，輸出低電平。比較器和地址開(kāi)關(guān)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)參與片選。比較器和地址開(kāi)關(guān)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)參與片選。當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率很高的時(shí)候，譯碼電路的延遲不能太大當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率很高的時(shí)候，譯碼電路的延遲不能太大33用異或門代替比較器和地址開(kāi)關(guān)比較。用異或門代替比較器和地址開(kāi)關(guān)比較。=1=1=1=11 234 567891011121314VCCGND74LS136如用如用2片片74LS136代替代替74LS688。3=12；6=4 5； 8=9 10；11=12 13；異或門的輸入端分別異或門的輸入端分別接地址線和開(kāi)關(guān)線。接地址線和開(kāi)關(guān)線。各異或門的輸出各異或門的輸出“或或”的結(jié)果。的結(jié)果。34?35300H301H302H303H304H305H306H307H36Y0Y7ABCG2BG2AG11514131211109712345674LS138_AEN# 001FH 405FH 809FH_10011FH_37001FH 405FH