微機原理與接口技術(第3版)彭虎第6章微型計算機的輸入輸出

“十一五”國家級規(guī)劃教材微機原理與接口技術

（第3版）第6章微型計算機的輸入/輸出本章主要內容2半導體存儲器的分類1CPU與外設通信的特點1CPU與外設通信的接口3輸入/輸出方式8086CPU的輸入/輸出4概述組成一個微型計算機系統(tǒng)，除了前面所述的CPU、存貯器之外，還需有外部設備。例如，單片機常用的外部設備有：顯示器、鍵盤，指示燈、微型打印機等。計算機與I/O設備之間要交換信息。計算機的CPU與外設，并不直接相連，而是通過接口電路進行連接。概述為什么需要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接口電路概述6微型計算機的輸入/輸出一、CPU與外設通信具有如下特點：需要有接口作為CPU與外設通訊的橋梁；速度信號種類：模擬、數(shù)字；并行、串行邏輯電平需要有數(shù)據(jù)信息傳送之前的“聯(lián)絡”；要傳遞的信息有三方面內容：狀態(tài)、數(shù)據(jù)及控制信息。6.1

CPU與外設通信的特點6微型計算機的輸入/輸出接口電路通常包含一組能夠與處理器交換信息的寄存器或緩沖器，稱為I/O端口。數(shù)據(jù)端口：

存放數(shù)據(jù)信息狀態(tài)端口：

存放狀態(tài)信息，即反映外設當前工作狀態(tài)的信息控制端口：存放控制信息6微型計算機的輸入/輸出二、接口具有以下幾個功能：進行地址譯碼或設備選擇，以便使CPU能與某一指定的外部設備通訊；狀態(tài)信息的應答，以協(xié)調數(shù)據(jù)傳送之前的準備工作；進行中斷管理，提供中斷信號；6.1

CPU與外設通信的特點6微型計算機的輸入/輸出二、接口具有以下幾個功能：進行數(shù)據(jù)格式轉換，如正負邏輯的轉換，串行與并行數(shù)據(jù)轉換等；進行電平轉換，如TTL電平與MOS電平間的轉換；協(xié)調速度，采用鎖存、緩沖、驅動等；輸出接口有鎖存環(huán)節(jié)輸入接口有緩沖環(huán)節(jié)時序控制，提供實時時鐘信號。6.1

CPU與外設通信的特點6微型計算機的輸入/輸出6.1.1

I/O端口的尋址方式存儲器映像的I/O尋址I/O映像的I/O尋址6微型計算機的輸入/輸出6.1.1

I/O端口的尋址方式1.存儲器映像的I/O尋址存儲單元和I/O端口的地址統(tǒng)一編址。把一個外設端口作為存儲器的一個單元來對待，故每一個外設端口占有存儲器的一個地址。從外部設備輸入一個數(shù)據(jù)，作為一次存儲器讀的操作；而向外部設備輸出一個數(shù)據(jù)，則作為一次存儲器寫的操作。內存部分I/O部分存儲空間0FFFFF6微型計算機的輸入/輸出存儲器映像的I/O尋址6微型計算機的輸入/輸出優(yōu)點：CPU對外設的操作可使用全部的存儲器操作指令，故指令多，使用方便。如可以對外設中的數(shù)據(jù)（存于外設的寄存器中）進行算術和邏輯運算，進行循環(huán)或移位等。內存和外設的地址分布圖是同一個。不需要專門的輸入輸出指令以及區(qū)分是存儲器還是I/O操作的控制信號。缺點：外設占用了內存單元，使內存容量減小。1.存儲器映像的I/O尋址6微型計算機的輸入/輸出6.1.1

I/O端口的尋址方式2.I/O映像的I/O尋址I/O端口地址與存儲單元地址分開編址。CPU有專門的I/O指令，用地址來區(qū)分不同的外設。但要注意實際上是以端口（Port）作為地址單元，因為一個外設不僅有數(shù)據(jù)寄存器還有狀態(tài)寄存器和控制命令寄存器，它們各需要一個端口才能加以區(qū)分，故一個外設往往需要數(shù)個端口地址。存儲單元I/O端口FFFFF0FFFF06微型計算機的輸入/輸出I/O映像的I/O尋址6微型計算機的輸入/輸出優(yōu)點：I/O端口不占用存儲器地址，故不會減少用戶的存儲器地址空間；采用單獨的I/O指令，使程序中I/O操作和其他操作層次清晰，便于理解。缺點：單獨I/O指令的功能有限，只能對端口數(shù)據(jù)進行輸入/輸出操作，不能直接進行移位、比較等其他操作；采用專用的I/O操作時序及I/O控制信號線，因而增加了微處理器本身控制邏輯的復雜性。2.I/O映像的I/O尋址6微型計算機的輸入/輸出6.2常用輸入/輸出接口芯片1、緩沖器74LS24474LS244是一種具有三態(tài)輸出的8位緩沖器（或稱單向線驅動器）。具有20個引腳的雙列直插式TTL芯片。內部驅動器分為兩組，分別有2組輸入端（D0 ～D3，D4～D7）和兩組輸出端（Q0 ～Q3，Q4～Q7）,分別由兩個低電平片選段CE1和CE2控制。常用的緩沖器還有74LS240，74LS241。5存儲器原理與接口8位輸入緩沖器僅能用于輸入接口1234567891020191817161514131211VCCCE2Q0D7Q1D6Q2D5Q3D4CE1D0Q7D1Q6D2Q5D3Q4GND74LS244緩沖器M/IO74LS244ENI/O設備D7～D0地址譯碼輸出RD6微型計算機的輸入/輸出6.2常用輸入/輸出接口芯片2、D鎖存器74LS27374LS273是8位D鎖存器，具有20個引腳的雙列直插式TTL芯片。使能端CP為低電平有效信號時，將輸入端（D端）數(shù)據(jù)打入鎖存器，并在輸出端（Q端）輸出當使能端CP為高電平無效信號時，原被鎖存的信號不輸出，輸出端（Q端）呈高阻態(tài)。常用的緩沖器還有74LS240373，Intel8288。5存儲器原理與接口8位D鎖存器僅能用于輸出接口1234567891020191817161514131211VCCQ7D7D6Q6Q5D5D4Q4CPCLRQ0D0D1Q1Q2D2D3Q3GNDD鎖存器74LS273M/IO74LS273CPI/O設備D7～D0地址譯碼輸出WR6微型計算機的輸入/輸出1、同步傳輸方式2、異步查詢方式程序控制傳送方式3、中斷方式4、直接存儲器存取方式

6.3輸入/輸出方式及CPU與外設通信的接口6微型計算機的輸入/輸出一、程序控制傳送方式：1、同步傳送方式（無條件方式）CPU直接與外設傳送數(shù)據(jù)并不需要了解外設狀態(tài)，認為外設已經準備就緒，直接與外設傳送數(shù)據(jù)適合于簡單設備，如LED數(shù)碼管、按鍵/按紐等無條件傳送的接口和操作均十分簡單這種傳送有前提：外設必須隨時處于就緒狀態(tài)6.3輸入/輸出方式及CPU與外設通信的接口6微型計算機的輸入/輸出一、程序控制傳送方式：1、同步傳輸方式（無條件方式）同步輸入過程：提供端口地址執(zhí)行IN指令或存儲器讀指令地址譯碼器輸出，同時產生M/IO和RD控制信號數(shù)據(jù)從端口中輸入至CPU6.3輸入/輸出方式及CPU與外設通信的接口6微型計算機的輸入/輸出同步傳輸：輸入示例M/IO三態(tài)緩沖器或鎖存器OEI/O設備地址譯碼器CSD7～D0A15～A1A00160HMOVDX,160HINAL,DXRD6微型計算機的輸入/輸出同步傳輸：輸入示例MOVDX,160HINAL,DX74LS244+5V10Kx8CB1CB2數(shù)據(jù)總線地址譯碼信號M/IORD按鍵K6微型計算機的輸入/輸出一、程序控制傳送方式：1、同步傳輸方式（無條件方式）同步輸出過程：提供端口地址執(zhí)行OUT指令或存儲器寫指令地址譯碼器輸出，同時產生M/IO和RD控制信號CPU將數(shù)據(jù)輸出到端口6.3輸入/輸出方式及CPU與外設通信的接口6微型計算機的輸入/輸出地址譯碼器數(shù)據(jù)鎖存器或驅動器A15A0～A14CS0160H輸出設備D7～D0MOVDX,160HMOVAL,[BX]OUTDX,AL同步傳輸：輸出示例M/IOWR6微型計算機的輸入/輸出同步傳輸：輸出示例MOVDX,160HMOVAL,[BX]OUTDX,AL+5V74LS273300

x8CP數(shù)據(jù)總線地址譯碼信號M/IOWR6微型計算機的輸入/輸出一、程序控制傳送方式：2、異步查詢方式也稱為條件傳輸方式，常用于慢速設備與CPU交換數(shù)據(jù)。CPU與外設傳輸數(shù)據(jù)之前，先檢查外設狀態(tài)，如果外設處于“準備好”狀態(tài)（輸入設備）或“空閑”狀態(tài)（輸出設備），才可以傳輸數(shù)據(jù)。為此，接口電路中除了數(shù)據(jù)端口外，還必須有狀態(tài)端口。查詢傳送的特點是：工作可靠，適用面寬，但傳送效率低6.3輸入/輸出方式及CPU與外設通信的接口6微型計算機的輸入/輸出2、異步查詢方式查詢環(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)口讀入數(shù)據(jù)是輸出，通過輸出指令向數(shù)據(jù)口輸出數(shù)據(jù)輸入狀態(tài)就緒？數(shù)據(jù)傳輸YN6微型計算機的輸入/輸出異步查詢輸入方式與接口“1”8D鎖存器8位三態(tài)緩沖器地址譯碼1位三態(tài)緩沖器

A0～A15300H301HD0～D7D0輸入設備STBRQDM/IORDM/IORDCPCLR6微型計算機的輸入/輸出異步查詢輸入方式與接口SPORTEQU300H;狀態(tài)端口DPORTEQU310H;數(shù)據(jù)端口……TEST1:MOVDX,SPORT

INAL,DX;讀取狀態(tài)端口信息TESTAL,O1;測試標志位D0JZTEST1;

D0＝0，未就緒，繼續(xù)查詢MOVDX,DPORT;

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)……6微型計算機的輸入/輸出異步查詢輸出方式與接口輸出時，狀態(tài)寄存器的狀態(tài)指示要輸出的端口緩沖區(qū)內容是否取走；

清空？讀取狀態(tài)信息輸出數(shù)據(jù)是否6微型計算機的輸入/輸出8D鎖存器1位三態(tài)緩沖器CPQD0～D7D0D“1”ACK輸出設備地址譯碼300H301HM/IORDM/IORDCLR0BF異步查詢輸出方式與接口6微型計算機的輸入/輸出異步查詢輸出方式與接口SPORTEQU300H;狀態(tài)端口DPORTEQU310H;數(shù)據(jù)端口……TEST2:MOVDX,SPORT

INAL,DX;讀取狀態(tài)端口信息TESTAL,O1;測試標志位D0JZTEST2;

D0＝0，未就緒，繼續(xù)查詢MOVDX,DPORT;

D0＝1，就緒，DX指向數(shù)據(jù)端口MOVAL,[BX];將帶輸出的數(shù)據(jù)送入AL中OUTDX,AL;將數(shù)據(jù)輸出到端口……6微型計算機的輸入/輸出一、程序控制傳送方式：3、中斷方式當外設作好傳送準備后，主動向CPU請求中斷，CPU響應中斷后在中斷處理程序中與外設交換數(shù)據(jù)。在中斷未發(fā)生時，CPU可以執(zhí)行其他程序，這樣可以提高CPU的利用率。6.3輸入/輸出方式及CPU與外設通信的接口程序斷點主程序中斷請求為外設繼續(xù)執(zhí)行返回斷點傳送流程提供服務中斷服務程序

入口6微型計算機的輸入/輸出一、程序控制傳送方式：3、中斷方式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中斷還有著非常廣泛的應用6.3輸入/輸出方式及CPU與外設通信的接口6微型計算機的輸入/輸出二、直接存儲器存取方式：6.3輸入/輸出方式及CPU與外設通信的接口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：不經CPU，不用指令外設→存儲器（DMA寫）外設←存儲器（DMA讀）擴展：外設?

外設CPU出讓系統(tǒng)總線（輸出高阻），由DMA控制器（DMAC）接管系統(tǒng)總線6微型計算機的輸入/輸出二、直接存儲器存取方式：6.3輸入/輸出方式及CPU與外設通信的接口DMA方式是在外設與內存間建立起直接的通道，CPU不再直接參加外設和內存間的數(shù)據(jù)傳輸。當系統(tǒng)需要進行DMA傳輸時，將CPU對地址和數(shù)據(jù)及控制線的管理權交由DMA控制器進行控制，當完成了一次DMA數(shù)據(jù)傳輸后，再將這個控制權還給CPU，這些工作都是由硬件自動實現(xiàn)的，并不需要程序進行。6微型計算機的輸入/輸出二、直接存儲器存取方式：6.3輸入/輸出方式及CPU與外設通信的接口ABDBCB

CPUDMACRAM/ROMI/O6微型計算機的輸入/輸出CPU外設存儲器總線二、直接存儲器存取方式：6微型計算機的輸入/輸出6.4

8086CPU的輸入/輸出1、I/O尋址64K2、