微機(jī)原理與接口技術(shù)：5.1至5.3-自動(dòng)化智能測(cè)控-輸入與輸出接口技術(shù)

第5章

輸入與輸出接口技術(shù)5.1接口技術(shù)的基本概述為什么需要I/O接口（電路）？微機(jī)的外部設(shè)備多種多樣工作原理、驅(qū)動(dòng)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(guò)中間電路再與系統(tǒng)相連CPU多種外設(shè)輸入輸出設(shè)備（I/O設(shè)備）中間電路5.1.1接口的概述與功能多種多樣的外設(shè)工作原理不同機(jī)械、電子、機(jī)電、電磁……傳送信息類型多樣數(shù)字量、模擬量、開關(guān)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(jìn)制、BCD碼、ASCII碼……返回什么是I/O接口（電路）？I/O接口是位于系統(tǒng)與外設(shè)間、用來(lái)協(xié)助完成數(shù)據(jù)傳送和控制任務(wù)的邏輯電路。CPU輸入輸出設(shè)備（I/O設(shè)備）中間電路接口電路（I/O接口）什么是微機(jī)接口技術(shù)？處理微機(jī)系統(tǒng)與外設(shè)間聯(lián)系的技術(shù)采用軟件與硬件相結(jié)合的方式。硬件部分是根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的需要，使用和構(gòu)造相應(yīng)的接口電路；軟件部分是控制這些電路按要求工作的驅(qū)動(dòng)程序。I/O接口應(yīng)具備的功能數(shù)據(jù)的寄存與緩沖功能信號(hào)轉(zhuǎn)換功能設(shè)備選擇功能對(duì)I/O設(shè)備的控制與檢測(cè)功能中斷及DMA控制功能可編程功能5.1.2CPU與I/O接口間的信息類型數(shù)據(jù)信息在微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)信息通常包括數(shù)字量（例如鍵盤、顯示器等）、模擬量（現(xiàn)場(chǎng)物理量，例如溫度、壓力等）和開關(guān)量（例如開關(guān)的斷開與閉合、機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)與停止等）三種類型。狀態(tài)信息狀態(tài)信息作為一種CPU與I/O之間的接口信號(hào)，主要用來(lái)反映輸入輸出設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)。輸入時(shí)，主要反映輸入設(shè)備是否準(zhǔn)備好。若準(zhǔn)備好，則狀態(tài)信息為Ready，CPU輸入信息，否則CPU等待；輸出時(shí)，反映輸出設(shè)備是否處于空閑狀態(tài)，如為忙Busy，則CPU等待；如為空閑Empty，則CPU輸出信息?？刂菩畔⒖刂菩畔⑹荂PU通過(guò)I/O接口傳送給外部設(shè)備的，是向外部設(shè)備傳送的控制命令，專門用來(lái)控制I/O設(shè)備的操作。例如外設(shè)的啟動(dòng)信號(hào)和停止信號(hào)就是最常見的控制信息，實(shí)際上，控制信息往往隨外設(shè)的工作原理不同而含義不同。接口電路中，三種信息在不同寄存器中分別存放。I/O接口CPU外設(shè)數(shù)據(jù)總線DB數(shù)據(jù)線狀態(tài)線控制線控制端口數(shù)據(jù)端口狀態(tài)端口地址總線AB低位地址控制總線CBI/O接口的典型結(jié)構(gòu)(補(bǔ)充)（p160圖5-2）地址譯碼高位地址內(nèi)部地址譯碼1.接口電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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1.接口電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（端口）I/O端口是接口電路中能被CPU直接訪問(wèn)（讀/寫）的寄存器。每個(gè)端口都有一個(gè)地址。所謂外部設(shè)備的地址，實(shí)際上是該設(shè)備接口內(nèi)各端口的地址，一臺(tái)外部設(shè)備可以擁有幾個(gè)通常是相鄰的端口地址。CPU正是通過(guò)這些端口與I/O設(shè)備進(jìn)行通信。一個(gè)接口電路可以具有多個(gè)I/O端口（寄存器），每個(gè)端口用來(lái)保存和交換不同的信息（前面敘述的數(shù)據(jù)、狀態(tài)、控制信息）。根據(jù)保存的信息類型不同，將I/O接口電路中的端口分為三類：數(shù)據(jù)端口、狀態(tài)端口和控制端口。數(shù)據(jù)端口：數(shù)據(jù)端口可分為數(shù)據(jù)輸入端口和數(shù)據(jù)輸出端口兩類。在輸入時(shí)，由數(shù)據(jù)輸入端口保存外設(shè)發(fā)往CPU或內(nèi)存的數(shù)據(jù)；在輸出時(shí)，由數(shù)據(jù)輸出端口保存CPU或內(nèi)存發(fā)往外設(shè)的數(shù)據(jù)。有了數(shù)據(jù)端口，就可以在高速工作的CPU與慢速工作的外設(shè)之間起協(xié)調(diào)與緩沖作用。狀態(tài)端口：狀態(tài)端口用來(lái)保存I/O設(shè)備或接口部件本身的工作狀態(tài)信息，讓微處理器了解數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中正在發(fā)生或最近已發(fā)生的狀態(tài)?？刂贫丝冢嚎刂贫丝谟脕?lái)存放處理器發(fā)來(lái)的控制命令與其它信息，確定接口電路的工作方式和功能，便于控制接口電路和I/O設(shè)備的動(dòng)作。一定要理解端口、接口的區(qū)別2.接口電路的外部特性主要體現(xiàn)在引腳上，分成兩側(cè)信號(hào)。面向CPU一側(cè)的信號(hào)：用于與CPU連接。主要是數(shù)據(jù)、地址和控制信號(hào)。CPU通過(guò)數(shù)據(jù)總線DB傳送端口中的數(shù)據(jù)信息（雙向）、狀態(tài)信息（讀）、控制信息（寫）。面向外設(shè)一側(cè)的信號(hào)：用于與外設(shè)連接。提供的信號(hào)五花八門。功能定義、時(shí)序及有效電平等差異較大。端口中的數(shù)據(jù)信息與I/O設(shè)備為雙向傳送、端口中的狀態(tài)信息由I/O設(shè)備傳送、端口中的控制信息傳送至I/O設(shè)備。注意三類信息的傳送方向。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（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(shè)的專用接口芯片針對(duì)某種外設(shè)設(shè)計(jì)、與該種外設(shè)接口面向微機(jī)系統(tǒng)的專用接口芯片與CPU和系統(tǒng)配套使用，以增強(qiáng)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(guò)編程的方法選定其中一種。接口需進(jìn)行物理連接，還需編寫接口軟件。接口軟件有兩類：初始化程序段——設(shè)定芯片工作方式等。數(shù)據(jù)交換程序段——管理、控制、驅(qū)動(dòng)外設(shè)，負(fù)責(zé)外設(shè)和系統(tǒng)間信息交換。I/O地址的譯碼（補(bǔ)充）

I/O地址的譯碼方法與存儲(chǔ)器地址的譯碼方法一樣，但有它的特點(diǎn)：8088/8086CPU能夠?qū)ぶ返膬?nèi)存空間為1MB，所以要用到20根地址總線，其中高位（A19-Ai）用于確定芯片的地址范圍，而低位（Ai-A0）用于片內(nèi)尋址；而8088/8086CPU能夠?qū)ぶ返腎/O端口僅為64K（65535）個(gè)，所以只需用地址總線的低16位信號(hào)線，實(shí)際在PC/XT/AT機(jī)中只用到了低10位地址線（A9-A0）。當(dāng)8086CPU工作在最大（最?。┠Ｊ綍r(shí)，對(duì)存儲(chǔ)器的讀寫要求控制信號(hào)MDCR（RD）或MWTC（WR）有效；如果是對(duì)I/O端口讀寫，則要求控制信號(hào)IORC（RD）或IOWC（WR）有效。同時(shí)，CPU在尋址內(nèi)存和外設(shè)時(shí)，使用不同的控制信號(hào)來(lái)區(qū)分當(dāng)前是對(duì)內(nèi)存操作還是對(duì)I/O端口進(jìn)行操作。例如，8086最小工作模式下的M/IO控制線，當(dāng)M/IO=0時(shí)，訪問(wèn)I/O端口；當(dāng)M/IO=1時(shí)，訪問(wèn)內(nèi)存單元。5.1.3端口的編址方式接口電路占用的I/O端口有兩類編排形式I/O端口單獨(dú)編址（I/O映射方式）I/O地址空間獨(dú)立于存儲(chǔ)地址空間如8086/8088I/O端口與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址（存儲(chǔ)器映射方式）它們共享一個(gè)地址空間如M6800I/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(wèn)外設(shè)）存儲(chǔ)器空間內(nèi)存部分I/O部分0FFFFFH00000HI/O端口單獨(dú)編址優(yōu)點(diǎn)：I/O端口的地址空間獨(dú)立，不占用存儲(chǔ)器地址；地址線較少，控制和地址譯碼電路相對(duì)簡(jiǎn)單，且尋址速度相對(duì)較快；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，導(dǎo)致程序設(shè)計(jì)的靈活性較差；需要存儲(chǔ)器和I/O端口兩套控制邏輯，增加了控制邏輯的復(fù)雜性。內(nèi)存空間I/O空間0FFFFFH00FFFFH80x86采用I/O端口獨(dú)立編址8086通過(guò)輸入輸出指令（IN、OUT）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）地址，即I/O地址同時(shí)，CPU在尋址內(nèi)存和外設(shè)時(shí)，使用不同的控制信號(hào)來(lái)區(qū)分當(dāng)前是對(duì)內(nèi)存操作還是對(duì)I/O端口進(jìn)行操作。例如，8086最小工作模式下的M/IO控制線，當(dāng)M/IO=0時(shí)，訪問(wèn)I/O端口；當(dāng)M/IO=1時(shí)，訪問(wèn)內(nèi)存單元。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)。8088/8086的輸入輸出指令輸入指令（IN：將外設(shè)數(shù)據(jù)傳送給CPU內(nèi)的AL/AX）INAL,i8 ;字節(jié)輸入INAL,DX ;字節(jié)輸入INAX,i8 ;字輸入INAX,DX ;字輸入輸出指令（OUT：將CPU內(nèi)的AL/AX數(shù)據(jù)傳送給外設(shè)）OUTi8,AL ;字節(jié)輸出OUTDX,AL ;字節(jié)輸出OUTi8,AX ;字輸出OUTDX,AX ;字輸出演示演示8088/8086I/O尋址方式8088/8086的端口有64K個(gè)，無(wú)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8088/8086I/O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INAL,21H返回OUT43H,AL返回5.2I/O傳送方式無(wú)條件傳送方式查詢傳送方式中斷傳送方式DMA方式按照傳送控制方式的不同，CPU與I/O接口的信息傳送方式通常包括：CPU多種外設(shè)輸入輸出設(shè)備（I/O設(shè)備）接口電路（I/O接口）通過(guò)CPU執(zhí)行程序中的I/O指令來(lái)完成傳送，屬于程序控制傳送方式。

INAL，數(shù)據(jù)端口OUT數(shù)據(jù)端口，ALI/O接口的典型結(jié)構(gòu)（p160圖5-2）1.接口電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.接口電路的外部特性返回I/O接口CPU外設(shè)數(shù)據(jù)總線DB數(shù)據(jù)線狀態(tài)線控制線控制端口數(shù)據(jù)端口狀態(tài)端口地址總線AB低位地址控制總線CB地址譯碼高位地址內(nèi)部地址譯碼7.3.1無(wú)條件傳送方式無(wú)條件傳送是最簡(jiǎn)單的傳送方式，該方式默認(rèn)外設(shè)始終處于準(zhǔn)備好狀態(tài)(就緒)，CPU輸入輸出前不需要查詢外設(shè)的工作狀態(tài)，任何時(shí)候都可訪問(wèn)。這種傳送有前提：在無(wú)條件傳送方式中，數(shù)據(jù)的交換總是同I/O指令的執(zhí)行同步，所以該方式也稱作同步傳送方式。適合于簡(jiǎn)單設(shè)備，如開關(guān)、發(fā)光二極管、按鍵等。其接口非常簡(jiǎn)單，接口中一般只需數(shù)據(jù)端口。傳送流程演示外設(shè)必須隨時(shí)就緒M/IO無(wú)條件傳送輸入接口電路示例MOV DX,284HINAL,DX將輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)（開關(guān)狀態(tài)）讀入CPU內(nèi)AL寄存器中。輸入接口器件一般選擇三態(tài)門緩沖器8086最小模式最大模式下為IORC引腳無(wú)條件傳送輸出接口電路示例MOVDX,288HMOVAL,81HOUTDX,ALCPU內(nèi)AL中的數(shù)據(jù)81H送至輸出設(shè)備輸出接口器件一般選擇鎖存器最大模式下為IOWC引腳8086最小模式無(wú)條件傳送輸入輸出接口實(shí)例K7K1K0+5VD0～D7A0～A15CLKLS06反相驅(qū)動(dòng)器LS2738D鎖存器LS244三態(tài)緩沖器8000H譯碼+5VLED0LED7……GRDWRM/IONEXT: MOVDX,8000H ；DX指向數(shù)據(jù)端口

INAL,DX

；從輸入端口讀開關(guān)狀態(tài)

NOTAL

；反相

OUTDX,AL

；送輸出端口顯示

CALLDELAY ；調(diào)子程序延時(shí)

JMPNEXT ；重復(fù)缺點(diǎn)：采用無(wú)條件傳送方式要求外設(shè)必須隨時(shí)就緒，CPU與外設(shè)必須同步，但對(duì)許多外設(shè)，這種條件是很難具備的。7.3.2查詢傳送方式

CPU需要先了解（查詢）外設(shè)的工作狀態(tài)，然后在外設(shè)可以交換信息的情況下（就緒）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入或輸出。為了使CPU能夠查詢到外設(shè)的狀態(tài)，外設(shè)需要提供一個(gè)專門的狀態(tài)端口用來(lái)存放狀態(tài)信息供CPU查詢。因此，查詢傳送方式接口中必有狀態(tài)端口和數(shù)據(jù)端口。通常，數(shù)據(jù)端口和狀態(tài)端口有不同的端口地址。對(duì)多個(gè)外設(shè)的情況，則CPU按一定順序依次查詢（輪詢）。先查詢的外設(shè)將優(yōu)先進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。查詢傳送的兩個(gè)環(huán)節(jié)輸入狀態(tài)就緒？數(shù)據(jù)交換YN傳送流程演示⑴查詢環(huán)節(jié)尋址狀態(tài)端口。讀取狀態(tài)寄存器的標(biāo)志位。判斷。若就緒，進(jìn)入傳送環(huán)節(jié)；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)端口是輸入，通過(guò)輸入指令從數(shù)據(jù)端口讀入數(shù)據(jù)是輸出，通過(guò)輸出指令向數(shù)據(jù)端口輸出數(shù)據(jù)查詢輸入接口狀態(tài)信號(hào)（是否ready）最大模式下為IORC引腳最大模式下為IORC引腳RD+5V8D鎖存器8位三態(tài)緩沖器1位三態(tài)緩沖器RQ

A0～A158000H8001HD0～D7D0D輸入設(shè)備M/IOSTB譯碼

MOVDX,8000H；DX指向狀態(tài)端口STATUS:INAL,DX ；讀狀態(tài)端口

TESTAL,01H ；測(cè)試標(biāo)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)查詢輸出接口8D鎖存器1位三態(tài)緩沖器RQ

D7D+5V輸出設(shè)備ACKRD譯碼A0～A158000H8001HD0～D7M/IOWR最大模式下為IOWC引腳最大模式下為IORC引腳狀態(tài)信號(hào)（是否ready）

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(cè)試標(biāo)志位D7 JNZSTATUS ；D7＝1，未就緒，繼續(xù)查詢

INCDX ；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)端口缺點(diǎn)：1、在程序查詢傳送方式中，CPU要不斷查詢輸入輸出系統(tǒng)的狀態(tài)。若外設(shè)沒準(zhǔn)備好，CPU就必須等待，不能干其它工作，CPU與外設(shè)之間是一種交替進(jìn)行的串行工作方式。這對(duì)CPU資源的使用造成很大浪費(fèi)，工作效率低，使整個(gè)系統(tǒng)性能下降。2、CPU在對(duì)多個(gè)外設(shè)以查詢方式實(shí)現(xiàn)I/O操作時(shí)，如果某外設(shè)要求CPU對(duì)其服務(wù)的時(shí)間間隔小于CPU對(duì)多個(gè)外設(shè)輪詢一個(gè)循環(huán)所需的時(shí)間，則CPU就不能與外設(shè)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，可能會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失。5.2.3中斷傳送方式在I/O傳輸過(guò)程中，可采用中斷傳輸機(jī)制。即CPU平時(shí)可以忙于自己的事務(wù)，當(dāng)外設(shè)有需要時(shí)可向CPU提出服務(wù)請(qǐng)求；CPU響應(yīng)后，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)子程序；待中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢后，CPU重新回到斷點(diǎn)，繼續(xù)處理被臨時(shí)中斷的事務(wù)。斷點(diǎn)主程序中斷服務(wù)程序，對(duì)外設(shè)進(jìn)行處理繼續(xù)執(zhí)行主程序外設(shè)中斷請(qǐng)求中斷響應(yīng)中斷源中斷服務(wù)中斷返回中斷傳送方式實(shí)現(xiàn)過(guò)程1.當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備好，向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求；2.CPU在滿足響應(yīng)中斷條件下，發(fā)出中斷響應(yīng)信號(hào)；3.CPU暫停當(dāng)前的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序，完成與外設(shè)的數(shù)據(jù)傳送；4.CPU從中斷服務(wù)程序返回，繼續(xù)執(zhí)行被中斷的程序傳送流程演示特點(diǎn)：1、CPU省去了對(duì)外設(shè)狀態(tài)的查詢和等待的時(shí)間，只在CPU響應(yīng)外設(shè)的中斷