微機原理 第六章-輸入和輸出接口技術(shù)

《微機原理與接口技術(shù)》主講：田娟

信息工程學(xué)院電子信息教研室郵箱：jtian@電話6章輸入和輸出接口技術(shù)6.1I/O接口概述6.2I/O接口數(shù)據(jù)傳送的控制方式（重點）6.3簡單I/O接口芯片的應(yīng)用（了解）6.4直接存儲器存儲（DMA）方式（了解）

補充知識-為什么需要I/O接口電路？微機的外部設(shè)備多種多樣，工作原理、驅(qū)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。I/O接口是位于系統(tǒng)與外設(shè)間、用來協(xié)助完成數(shù)據(jù)傳送和控制任務(wù)的邏輯電路。CPU接口電路

I/O設(shè)備

補充知識-什么是I/O接口（電路）？§6.1I/O接口概述

6.1.1接口與端口的基本概念接口的概念：

微機使用的外部設(shè)備種類很多，一般可以分為電子設(shè)備、機電設(shè)備、機械設(shè)備等，它們的工作速度及信號的表示方法與微型計算機不同。如果按照它們與CPU之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蚩梢苑譃檩斎朐O(shè)備（鍵盤、鼠標(biāo)、數(shù)碼相機等）、輸出設(shè)備（顯示器、打印機等）、復(fù)合輸入/輸出設(shè)備（磁盤等）。為了能夠把各種各樣的外部設(shè)備與CPU的總線連接，要設(shè)計不同類型的接口電路，簡稱接口，也稱適配器。微機系統(tǒng)中，各種輸入/輸出設(shè)備通過接口與系統(tǒng)相連，并在接口的支持下實現(xiàn)各種方式的數(shù)據(jù)傳送。

因此接口是CPU與存儲器、外部設(shè)備或者兩種外設(shè)之間，或者兩種機器之間通過系統(tǒng)總線進行連接的邏輯部件（或稱電路），是CPU與外界進行信息交換的中轉(zhuǎn)站。

微型機系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備之間的信息交換、微型機與別的計算機或設(shè)備的信息交換，都是通過接口來實現(xiàn)的，如圖6-1所示。圖6-1CPU與外設(shè)連接示意圖接口的功能：

接收和執(zhí)行CPU命令的功能數(shù)據(jù)緩沖功能和接口狀態(tài)的表示設(shè)備選擇功能信號轉(zhuǎn)換功能數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換功能中斷管理功能可編程功能錯誤檢測及復(fù)位功能端口的概念：

微機的外部設(shè)備和存儲設(shè)備都是通過接口連接到系統(tǒng)上的，每個接口是由一組寄存器組成，這些寄存器都分配了一個稱為I/O端口的地址編碼。微機的CPU和內(nèi)存就是通過這些端口和外部設(shè)備進行通信的。

I/O接口部件中一般有3種寄存器：一是用來數(shù)據(jù)緩沖的數(shù)據(jù)寄存器；二是用來保存設(shè)備和接口的狀態(tài)信息，供CPU對外設(shè)進行測試的狀態(tài)寄存器；三是用來保存CPU發(fā)出的命令以控制接口和設(shè)備操作的命令寄存器。這些寄存器都分配有各自的端口號，CPU通過不同的端口號來選擇各種外部設(shè)備。圖6-2CPU尋址外設(shè)示意圖CPUI/O設(shè)備譯碼數(shù)據(jù)端口狀態(tài)端口控制端口DBABCB一個典型的I/O接口補充知識§6.2I/O接口數(shù)據(jù)傳送的控制方式引言外設(shè)與微機間的信息交換可以用不同的輸入輸出方法完成。基本的輸入輸出方法有：程序控制I/O方式（無條件傳送方式與查詢方式）、中斷方式、直接存貯器存?。―MA）方式?！?.2I/O接口數(shù)據(jù)傳送的控制方式

6.2.1程序控制方式狀態(tài)和數(shù)據(jù)傳送是通過CPU執(zhí)行程序中的指令來完成的，又分為：無條件傳送方式條件（查詢）傳送方式無條件傳送方式

無條件傳送是一種最簡單的輸入/輸出控制方法，一般用于控制CPU與低速I/O接口之間的信息交換。由于這些信號變化緩慢，當(dāng)需要采集這些數(shù)據(jù)時，外部設(shè)備已經(jīng)把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒，不需要檢查端口的狀態(tài)，可以立即采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)保持時間相對于CPU的處理時間長得多。輸入的數(shù)據(jù)不需要加鎖存器而直接用三態(tài)緩沖器與系統(tǒng)總線連接，如圖6-3所示。圖6-3無條件傳送方式接口電路

(a)無條件傳送的輸入方式；(b)無條件傳送的輸出方式

實現(xiàn)無條件輸入的方法是：在程序的恰當(dāng)位置安排輸入指令，當(dāng)程序執(zhí)行到這些指令時，外部設(shè)備的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒，可在執(zhí)行當(dāng)前指令時間內(nèi)完成接收數(shù)據(jù)的全部過程。實現(xiàn)無條件輸出的方法是：在程序的恰當(dāng)位置安排OUT輸出指令，當(dāng)程序執(zhí)行到這些指令時，將輸出給外部設(shè)備的數(shù)據(jù)存入鎖存器。如果外部設(shè)備是輸出設(shè)備（例如顯示器），一般要求接口具有鎖存能力，即要求CPU送給外部設(shè)備的數(shù)據(jù)，應(yīng)該在輸出設(shè)備接口電路中保持一段時間，保持時間的長短應(yīng)該和外部設(shè)備的接受動作時間相適應(yīng)。無條件傳送方式（續(xù)）

INAL,21H補充知識補充知識查詢方式（條件傳送方式）

此傳送方式在接口電路中，除具有數(shù)據(jù)緩沖器或數(shù)據(jù)鎖存器外，還具有外設(shè)狀態(tài)標(biāo)志位，用于反映外部設(shè)備數(shù)據(jù)的情況。在接口電路中，狀態(tài)寄存器也占用端口地址號。使用查詢方式控制數(shù)據(jù)的輸入/輸出，通常要按圖6-4的流程進行。首先讀入設(shè)備狀態(tài)標(biāo)志信息，接著根據(jù)讀入的狀態(tài)信息進行判斷，如果設(shè)備沒有準(zhǔn)備好，則程序轉(zhuǎn)移去執(zhí)行某種操作，或循環(huán)回去重新執(zhí)行讀入設(shè)備狀態(tài)信息；如果設(shè)備準(zhǔn)備好，則執(zhí)行完成數(shù)據(jù)傳送的I/O指令。數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后，CPU轉(zhuǎn)去執(zhí)行其他任務(wù)，剛才所操縱的設(shè)備脫離CPU控制。

圖6-4查詢方式示意圖補充知識--查詢傳送的兩個環(huán)節(jié)

查詢環(huán)節(jié)尋址狀態(tài)口讀取狀態(tài)寄存器的標(biāo)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)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)小結(jié)小結(jié)查詢方式的優(yōu)點是：可以較好地協(xié)調(diào)外設(shè)與CPU之間的定時關(guān)系；缺點是：CPU需要不斷查詢標(biāo)志位的狀態(tài)，這將占用CPU較多的時間，尤其是和中速或慢速的外部設(shè)備交換信息時，CPU真正花費在傳送數(shù)據(jù)上的時間極少，絕大部分時間都消耗在查詢上。對多個外設(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)先進行數(shù)據(jù)交換。查詢方式的缺點除了占用CPU較多的工作時間外，還難以滿足實時控制系統(tǒng)對I/O工作的要求。因為在查詢方式中，CPU處于主動地位，而外設(shè)接口處于消極被查詢的被動地位。而在一般實時控制系統(tǒng)中，外設(shè)要求CPU為它服務(wù)是隨機的，而且支持系統(tǒng)的外設(shè)往往有幾個甚至幾十個，若采用查詢方式工作，很難實現(xiàn)系統(tǒng)中每一個外設(shè)都工作在最佳工作狀態(tài)。所謂工作在最佳狀態(tài)，是指一旦某個外設(shè)請求CPU為它服務(wù)時，CPU應(yīng)該以最快的速度響應(yīng)其請求。這就要求系統(tǒng)中的外設(shè)，具備主動申請CPU為其服務(wù)的權(quán)利。引言§6.2I/O接口數(shù)據(jù)傳送的控制方式

6.2.2中斷控制方式中斷控制的輸入/輸出方式，也稱中斷傳送方式，即當(dāng)外設(shè)的輸入數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好或接收數(shù)據(jù)的鎖存器為空時，主動向CPU發(fā)出中斷請求，使CPU中斷原來執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行為外設(shè)服務(wù)的輸入或輸出操作，服務(wù)完畢，CPU再繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。知識復(fù)習(xí)--中斷采用中斷方式，信息的傳送是依賴CPU執(zhí)行中斷服務(wù)程序來完成的，因此每進行一次I/O操作，都需要CPU暫停執(zhí)行當(dāng)前程序，把控制轉(zhuǎn)移到優(yōu)先級最高的I/O程序。在中斷服務(wù)程序中，需要有保護現(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場的操作，而且I/O操作都是通過CPU來進行的。當(dāng)從存儲器輸出數(shù)據(jù)時，首先需要CPU執(zhí)行傳送指令，將存儲器中的數(shù)據(jù)，讀入CPU中的通用寄存器AL（對于字節(jié)數(shù)據(jù)）或AX（對于字?jǐn)?shù)據(jù)），然后，執(zhí)行OUT指令，把數(shù)據(jù)由通用寄存器AL或AX傳送到I/O端口；當(dāng)從I/O端口向存儲器存入數(shù)據(jù)時，過程正相反。

CPU執(zhí)行IN指令時，將I/O端口數(shù)據(jù)讀入通用寄存器AL或AX，然后CPU執(zhí)行傳送指令，將AL或AX的內(nèi)容存入存儲器單元。這樣，每次I/O操作都需要幾十甚至幾百微秒，對于一些高速外設(shè)，如高速磁盤控制器或高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，中斷控制方式往往滿足不了它們的需要。為此，提出了數(shù)據(jù)在I/O接口與存儲器之間的傳送，不經(jīng)CPU的干預(yù)，而是在專用硬件電路的控制下直接傳送。這種方法稱為直接存儲器存?。―irectMemoryAccess，縮寫為DMA）?！?.3簡單I/O接口芯片的應(yīng)用

6.3.1常用芯片功能介紹目前常用的簡單I/O接口芯片有：74LS244、74LS245、74LS373、Led數(shù)碼管。

74LS244是一個典型的8位單向3態(tài)緩沖驅(qū)動，能提高總線的驅(qū)動能力，是一種基本的I/O接口芯片。74LS244緩沖器主要用于三態(tài)輸出的地址驅(qū)動器、時鐘驅(qū)動器、總線定向接收器和定向發(fā)送器等。它無鎖存功能，常用作并行輸入口和總線驅(qū)動器，其邏輯結(jié)構(gòu)如圖6-7所示。

74LS244的8個三態(tài)門分為兩組，每組4個，分別由和控制。當(dāng)和為低電平時，三態(tài)門導(dǎo)通，否則輸出端為高阻狀態(tài)。實際使用中，通常是將兩個控制端并聯(lián)，這樣就可用一個控制信號來使8個三態(tài)門同時導(dǎo)通或同時斷開。單向三態(tài)緩沖器74LS244（結(jié)合P2488.1.2）圖6-774LS244的邏輯功能圖1A1~1A4和2A1~2A4是2組4位數(shù)據(jù)輸入端，1Y1~1Y4和2Y1~2Y4是相應(yīng)的兩組輸出端。圖8-274LS244功能示意圖（課本P248）74LS245是8路3態(tài)雙向緩沖驅(qū)動，也叫做總線驅(qū)動門電路或線驅(qū)動。主要使用在數(shù)據(jù)的雙向緩沖，增強驅(qū)動能力。它比74LS244增加了一個方向控制端。其邏輯結(jié)構(gòu)如圖6-8所示。雙向三態(tài)緩沖器74LS245（結(jié)合P2488.1.3）圖6-874LS245的邏輯功能圖74LS245是一種通用的8位雙向總線數(shù)據(jù)收發(fā)器芯片，常用于控制兩組總線數(shù)據(jù)之間傳遞。假設(shè)A總線與芯片的A0~A7相連，B總線與芯片的B0~B7相連，則芯片既可以控制數(shù)據(jù)從A總線到B總線傳遞，也可以控制數(shù)據(jù)從B總線到A總線傳遞。圖8-374LS245功能示意圖（課本P248）由于三態(tài)門器件沒有數(shù)據(jù)的保持能力，所以它一般只用作輸入接口，不能直接用作數(shù)據(jù)輸出接口。數(shù)據(jù)輸出接口通常是用具有信息存儲能力的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來實現(xiàn)。最簡單的輸出接口可用D觸發(fā)器構(gòu)成。

74LS273內(nèi)部包含了8個D觸發(fā)器，可存放8位二進制信息，具有數(shù)據(jù)鎖存的功能。其中D7～D0是輸入，Q7～Q0是輸出，常用來作為并行輸出接口，將CPU的數(shù)據(jù)傳送到外部I/O設(shè)備。其結(jié)構(gòu)和電路連接如圖6-9所示。鎖存器74LS273圖6-974LS273的結(jié)構(gòu)原理圖、電路連接圖

74LS374也是經(jīng)常用到的一種電路芯片，從引線上它比74LS373多了一個輸出允許端OE。只有當(dāng)OE＝0時74LS374的輸出三態(tài)門才導(dǎo)通。當(dāng)OE＝1時，則呈高阻狀態(tài)。

74LS374在用作輸入接口時，端口地址信號經(jīng)譯碼電路接到OE端，外設(shè)數(shù)據(jù)由外設(shè)提供的選通脈沖鎖存在74LS374內(nèi)部。當(dāng)CPU讀該接口時，譯碼器輸出低電平，使74LS374的輸出三態(tài)門打開，讀出外設(shè)的數(shù)據(jù)；如果用做輸出接口，也可將OE端接地，使其輸出三態(tài)門一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，這樣就與74LS273一樣使用了。用74LS374作為輸入和輸出接口的電路，如圖6-10和圖6-11所示。鎖存器74LS374圖6-1074LS374作為輸出接口圖6-1174LS374用作輸入接口LED數(shù)碼顯示器是一種由LED發(fā)光二極管組合顯示字符的顯示器件。它使用了8個LED發(fā)光二極管，其中7個用于顯示字符，1個用于顯示小數(shù)點，故通常稱之為7段發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器。

LED數(shù)碼管

LED數(shù)碼顯示器有兩種連接方法：共陽極接法:

把發(fā)光二極管的陽極連在一起構(gòu)成公共陽極，使用時公共陽極接+5V，每個發(fā)光二極管的陰極通過電阻與輸入端相連。共陰極接法:

發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成公共陰極，使用時公共陰極接地。每個發(fā)光二極管的陽極通過電阻與輸入端相連。VCC由于發(fā)光二極管發(fā)光時，通過的平均電流為10～20mA，而通常的輸出鎖存器不能提供這么大的電流，所以LED數(shù)碼管各段必須接驅(qū)動電路，要求段驅(qū)動電路能提供額定的段導(dǎo)通電流，還需根據(jù)外接電源及額定段導(dǎo)通電流來確定相應(yīng)的限流電阻。

為了顯示字符，要為LED顯示器提供顯示段碼（或稱字形代碼），組成一個“8”字形字符的7段，再加上1個小數(shù)點位，共計8段，因此提供給LED顯示器的顯示段碼為1個字節(jié)。各段碼位的對應(yīng)關(guān)系如表6-1所示。表6-1LED數(shù)碼管各段碼位對應(yīng)關(guān)系要使數(shù)碼管顯示出相應(yīng)的數(shù)字或者字符必須使段數(shù)據(jù)口輸出相應(yīng)的字形編碼。如表6-2所示，字型碼各位定義如下：數(shù)據(jù)線D0與a字段對應(yīng)，D1字段與b字段對應(yīng)…..，依次類推。如使用共陽極數(shù)碼管，數(shù)據(jù)為0表示對應(yīng)字段亮，數(shù)據(jù)為1表示對應(yīng)字段暗；如使用共陰極數(shù)碼管，數(shù)據(jù)為0表示對應(yīng)字段暗，數(shù)據(jù)為1表示對應(yīng)字段亮。如顯示“0”，共陽極數(shù)碼管的字型編碼為：11000000B（即C0H）；共陰極數(shù)碼管的字型編碼為：00111111B（即3FH）。依次類推可求得數(shù)碼管字型編碼如表6-2所示。表6-2LED數(shù)碼管字型編碼表對于多位數(shù)碼顯示器來說，為了簡化線路、降低成本，往往采用以軟件為主的接口方法，即不使用專門的硬件譯碼器，而采用軟件程序進行譯碼。如前所述，由于各位數(shù)碼管的顯示段碼是互相并聯(lián)的，因此在同一時刻只能顯示同一種字符。對于這種接口電路來說，其顯示方法有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種。定義：當(dāng)顯示器顯示某一個字符時，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定地導(dǎo)通或截止。特點：每一位都需要有一個8位的輸出口控制，所以占用硬件多，一般用于顯示器位數(shù)較小的場合。為了將一個十六進制數(shù)在一個LED上顯示出來，就需要將十六進制數(shù)譯為LED的7位顯示代碼。一種方法是采用專用的帶驅(qū)動的LED段譯碼器，實現(xiàn)硬件譯碼；另一種常用的方法是軟件譯碼（常用）。靜態(tài)顯示圖6-147段LED數(shù)碼管及按鈕的一種接口電路

定義：就是一位一位地輪流點亮各位顯示器（掃描）。對于每一位顯示器來說，每隔一段時間點亮一次。一般實際使用時，往往要用幾個數(shù)碼管實現(xiàn)多位顯示。這時，如果每一個數(shù)碼管占用一個獨立的輸出端口，那么將占用太多的端口；而且驅(qū)動電路的數(shù)目也很多。所以，要從硬件和軟件兩方面想辦法節(jié)省硬件電路。圖6-15是多位數(shù)碼管顯示的接口電路，這是一種常用的方案。在這種方案中，硬件上用公共的驅(qū)動電路來驅(qū)動各數(shù)碼管；軟件上用掃描方法實現(xiàn)數(shù)字顯示。采用掃描的方式驅(qū)動多位7段LED數(shù)碼管，節(jié)省驅(qū)動電路，降低功耗，保證一定的掃描循環(huán)頻率，得到較好的顯示質(zhì)量。各位7段LED數(shù)碼管公用一個段驅(qū)動器、一個段碼鎖存器，為段驅(qū)動器提供邏輯輸入。每位7段LED數(shù)碼管的公共端連接一個位驅(qū)動器，控制各位數(shù)碼管的點燃。位驅(qū)動器由一個位碼鎖存器提供輸入邏輯電平。顯示器在系統(tǒng)中占用兩個端口號：段碼口與位碼口。動態(tài)顯示圖6-15多位數(shù)碼管顯示的一種接口電路綜上所述，只要CPU通過段控制端口送出段代碼，然后通過位控制端口送出位代碼，指定的數(shù)碼管便顯示相應(yīng)的數(shù)字。如果CPU順序地輸出段碼和位碼，依次讓每個數(shù)碼管顯示數(shù)字，并不斷地重復(fù)，當(dāng)重復(fù)頻率達到一定程度，利用人眼的視覺暫留特性，從數(shù)碼管上便可見到相當(dāng)穩(wěn)定的數(shù)字顯示。

上述多位顯示電路中，往往要用軟件完成段譯碼，并花費CPU大量時間去重復(fù)掃描每個數(shù)碼管。為此，程序設(shè)計時可以開辟一個BuFF緩沖區(qū)，存放要顯示的數(shù)字，第一個數(shù)字在最左邊的數(shù)碼管顯示，下一個數(shù)字送到左邊第二個數(shù)碼管顯示，依此類推。另外，還需要建立一個顯示代碼表TABLE，從前向后依次存放0-F對應(yīng)的7段顯示代碼。顯示代碼是和硬件連接有關(guān)的，在圖6-15所示的接口電路中，數(shù)字0的顯示代碼為COH，l的顯示代碼為F9H……。

§6.3簡單I/O接口芯片的應(yīng)用

6.3.2簡單I/O接口設(shè)計應(yīng)用例6-2

編寫程序判斷圖6-16中的開關(guān)狀態(tài)。如果K0～K2開關(guān)閉合，則其余開關(guān)斷開，則程序轉(zhuǎn)向標(biāo)號為KEY1的程序段執(zhí)行；如果K3～K6開關(guān)閉合，則其余開關(guān)斷開，轉(zhuǎn)向標(biāo)號為KEY2的程序段執(zhí)行。另外，由圖6-16可以看出，當(dāng)開關(guān)閉合時輸入低電平。圖6-16三態(tài)門輸入接口在圖6-16中，三態(tài)門74LS244采用部分地址譯碼-地址線A1和A0未參加譯碼，故它所占的地址為83FCH~83FFH?？梢杂闷渲腥魏我粋€地址，而其他重疊的3個地址空著不用?！?.4直接存儲器（DMA）存儲方式

6.4.1DMA概述用DMA方式傳送數(shù)據(jù)時，在存儲器和外部設(shè)備之間，直接開辟高速的數(shù)據(jù)傳送通路。數(shù)據(jù)傳送過程不要CPU介入，只用一個總線周期，就能完成存儲器和外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送。因此，數(shù)據(jù)傳送速度僅受存儲器的存取速度和外部設(shè)備傳輸特性的限制。DMA傳送包括：RAM→I/O端口的DMA讀傳送；I/O端口→RAM的DMA寫傳送；RAM→RAM的存儲