第8章輸入輸出接口新

1第一節(jié)接口技術的基本概念一、接口的概念和功能二、接口電路的典型結構2一、接口的概念和功能1、接口和接口技術接口指CPU、存儲器、外設之間通過總線進行連接的電路部分，是CPU與外界進行信息交換的中轉站。接口技術是研究CPU如何與外部世界進行最佳耦合與匹配，實現(xiàn)雙方高效、可靠地交換信息的一門技術，是軟件、硬件結合的體現(xiàn)，是微機應用的關鍵。3數據總線DB控制總線CB地址總線AB存儲器I/O接口輸入設備I/O接口輸出設備CPU微型計算機的結構示意圖2、為什么要用接口電路？4從上可以得到：（1）所有的外部信息到CPU都要經過各種各樣的接口。（2）接口把外部的輸入信息變成計算機能識別的數據，由計算機來處理。⑶接口把計算機輸出的數據變成外設能識別的信息，實現(xiàn)對外設的控制。5接口電路中的信息：數據信息：數字量、模擬量、開關量狀態(tài)信息控制信息對應的端口：數據口、狀態(tài)口、命令口6外設是用來實現(xiàn)人機交互的一些機電設備。外設處理信息的類型、速度、通信方式與CPU不匹配,不能直接掛在總線上，必須通過接口和系統(tǒng)相連7接口應具有的功能

信號轉換功能：

輸入：外設的數據或信息——微機相容輸出：微機輸出數據或信息——外設相容

設備的選擇功能：

只有選中的設備才能與CPU進行數據交換或通信；

I/O接口中通常都有地址譯碼和設備選擇邏輯。

數據緩沖功能：

解決CPU高速與外設低速的矛盾，避免因速度不一致而丟失數據。8

接收和執(zhí)行CPU命令的功能：

接口電路對接收到的命令代碼進行識別和分析，產生若干個控制信號，傳到I/O設備，產生相應的操作。中斷管理功能：

在接口中設置中斷控制器，為CPU處理有關中斷事務如：中斷請求、中斷優(yōu)先級排隊等?？删幊棠芰Γ?/p>

增加接口的靈活性和可擴充性。9二、接口電路的典型結構從編程角度看，接口內部主要包括一個或多個

CPU可以進行讀/寫操作的寄存器，又稱為I/O端口。各I/O端口由端口地址區(qū)分。數據信息狀態(tài)信息控制信息10按存放信息的不同，I/O端口可分為三種類型數據端口：用于存放CPU與外設間傳送的數據信息

狀態(tài)端口：用于暫存外設的狀態(tài)信息控制端口：用于存放CPU對外設或接口的控制信息，控制外設或接口的工作方式。CPU對外設輸入/輸出的控制，是通過對接口電路中各I/O端口的讀/寫操作完成。11第二節(jié)I/O端口的編址和譯碼一、I/O端口的編址方式二、8088的輸入/輸出指令和時序三、I/O端口的譯碼12一、I/O端口的編址方式1、端口與存儲器分別獨立編址2、端口與存儲器統(tǒng)一編址13特點：端口與存儲器分別獨立編址

端口不占用內存空間設有專門的I/O指令對端口進行讀寫，對內存操作的指令不能用于I/O端口例

Intel的80X86系列、Z80系列I/O空間內存空間1、端口與存儲器分別獨立編址（I/O映射方式）例

MOV[10H],AL對內存操作

IN10H,AL對端口操作142、端口與存儲器統(tǒng)一編址（存儲器映射方式）特點:I/O端口相當于內存的一部分,

使內存容量減小對I/O端口的讀/寫與對存儲器的讀/寫相同，所有可對內存操作的指令對I/O端口均可使用，

指令系統(tǒng)中不專設I/O指令。例

motorola的M6800系列日立H8S單片機系列內存空間I/O空間15二、8088的輸入/輸出指令和時序1.

輸入指令IN輸出指令OUT輸入/輸出指令實現(xiàn)I/O端口與CPU之間的數據傳送161.輸入指令INport為數字形式的端口地址,大小為0~255或0~FFH17例(1)INAL，28H

若(28H端口)=10101111B

執(zhí)行后(AL)=(28H端口)=0AFH(2)

INAX，28H

若(28H端口)=10101111B(29H端口)=01010000B

執(zhí)行后(AL)=(28H端口)=0AFH(AH)=(29H端口)=50H(3)

MOVDX，300HINAL，DX

若(300H端口)=69H

執(zhí)行后(AL)=(300H端口)=69H182.輸出指令OUTport為數字形式的端口地址,大小為0~255或0~FFH19(1)

OUT21H,AL

若(AL)=11001100B

執(zhí)行后（21H端口)=0CCH(2)

MOVDX，21BH

OUTDX，AL

若（AL）=10100110B

執(zhí)行后(21BH端口)=(AL)=0A6H例20(1)累加器AL、AX的專用指令

對輸入指令IN，目的操作數只能為AL,或AXINAL,21HINAX,DXINBX,21H

對輸出指令OUT，源操作數只能為AL,或AXOUT20H,ALOUTDX,AXOUTDX,CX

輸入/輸出指令（IN、OUT）特點：21（2）端口地址可由直接方式或間接方式給出

例

OUT219H,AL×MOVDX,219HOUTDX,AL例

INAL,218H

×

MOVDX,218HINAL,DX當端口號>FFH，即>255時,

需把端口號放在DX寄存器中，

DX是一個16位寄存器，范圍在0~FFFFh之間。當端口號在0~FFH，即0~255時，可在指令中直接指定端口號例

INAL,21HOUT20H,AL22(3)可進行字節(jié)或字傳送

由指令中AL或AX的類型決定(4)注意端口地址與端口內容的區(qū)別

INAL,21H不等于(AL)←21HOUTDX,AL不等于(DX)←(AL)INAL,20H;字節(jié)傳送INAX,20H;字傳送INAL,DX;字節(jié)傳送INAX,DX;字傳送OUT20H,AL

;字節(jié)傳送OUT20H,AX

;字傳送OUTDX,AL

;字節(jié)傳送OUTDX,AX

;字傳送23三、I/O端口的譯碼1.

譯碼電路的作用

2.

譯碼電路的構成

3.

設計譯碼電路的方法

4.

片內譯碼和片選譯碼241、譯碼電路的作用將CPU執(zhí)行IN/OUT指令發(fā)出的地址信號,“翻譯”成欲操作端口的選通信號，此信號常作為接口內三態(tài)門或鎖存器的控制信號，接通或斷開接口數據線與系統(tǒng)的連接。IN指令時序A15~A0IORCLKD7~D0T4T1T2T3TwA15~A0CLKIOWD7~D0T4T1T2T3TwOUT指令時序25該電路在CPU執(zhí)行指令

MOVDX,200HINAL,DX將輸入設備的數據讀入CPU內AL中圖中譯碼電路的作用：只當A15~A0上出現(xiàn)200H時，（即0000001000000000B）輸出0，其他輸出1。例

一個輸入設備的簡單接口電路三態(tài)緩沖器輸入設備數據線IOR地址譯碼地址線

200H000D7~D0A15~A0與非PC總線26執(zhí)行:MOVDX,200H

INAL,DX

三態(tài)緩沖器輸入設備數據線IOR地址譯碼地址線

200H000D7~D0A15~A0與非PC總線IN指令時序A15~A0IORCLKD7~D0T4T1T2T3Tw000000100000000027輸入設備接口電路，即硬件上保證:只在CPU執(zhí)行從200H端口輸入數據時，

三態(tài)門處于工作狀態(tài)，使輸入設備的數據送上總線側，而CPU執(zhí)行其它指令時,

三態(tài)門均處于高阻狀態(tài),使輸入設備的數據線與總線側斷開三態(tài)緩沖器輸入設備數據線IOR地址譯碼地址線

200H000D7~D0A15~A0與非PC總線MOVDX,200HINAL,DX28該電路在CPU執(zhí)行指令

MOVDX,300HOUTDX,AL

將CPU內AL中的數據送至輸出設備圖中譯碼電路的作用：只當A15~A0上出現(xiàn)300H時，（即0000001100000000B）輸出0，其他輸出1。例

一個輸出設備的簡單接口電路PC總線鎖存器輸出設備數據線IOW地址譯碼地址線

300H000D7~D0A15~A0與非29OUT指令時序執(zhí)行：

MOVDX,300H

OUTDX,AL

A15~A0CLKIOWD7~D0T4T1T2T3TwPC總線鎖存器輸出設備數據線IOW地址譯碼地址線

300H000D7~D0A15~A0與非000001100000000030輸出設備接口電路，即硬件上保證:只在CPU執(zhí)行從300H端口輸出數據時，鎖存器處于觸發(fā)狀態(tài)，其輸出隨輸入變化，而CPU執(zhí)行其它指令時,鎖存器均處于鎖存狀態(tài),其輸出不隨輸入變化，PC總線鎖存器輸出設備數據線IOW地址譯碼地址線

300H000D7~D0A15~A0與非MOVDX,300HOUTDX,AL312、譯碼電路的構成門電路:與門、非門、或門、與非門、或非門專用譯碼器：

2-4線譯碼器74LS1393-8線譯碼器74LS1384-16線譯碼器74LS154等可編程器件GAL、CPLD、FPGA等323、設計譯碼電路的方法據端口地址確定地址信號A15~A0的取值，用門電路、譯碼器或兩者組合實現(xiàn)滿足此取值情況的電路。設計譯碼電路時：

1.端口的選通信號通常為低電平有效

2.除端口的地址信號參加譯碼外，控制信號IOW、IOR(IO/M、AEN也可參加譯碼)33譯碼電路A0A1A8A9IORIOWAEN譯碼電路示意圖3474LS138譯碼器功能表74LS1383-8譯碼器AY0BY1CY2Y3G1Y4G2AY5G2BY6Y735例設計端口地址為218H的譯碼電路分析

CPU執(zhí)行IN/OUT指令時，發(fā)出端口的地址信號

MOVDX,218H

INAL,DX

或

OUTDX,AL對應218H端口的地址信號為（取A9~A0）：

A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0(地址信號)

1000011000B218H只要滿足此地址取值的譯碼電路均可36方法一、用門電路實現(xiàn)218H的地址譯碼數據線DBRDWRCS端口譯碼電路0A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0AENIORIOWI/O接口PC總線D0~D7D0~D710000110000&譯碼電路部分滿足：只當地址信號A9~A0為：A9A8A7A6A5A4A3A2A1A01000011000即218H時，輸出0，使I/O接口的CS有效否則輸出1

使I/O接口的CS無效37數據線DBRDWRCS端口譯碼電路0A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0AENIORIOWI/O接口PC總線D0~D7D0~D710000110000&注意譯碼電路中：由于高位地址線A15~A10未參與譯碼,即:地址A15~A0為：××××××1000011000均能輸出0,所以該電路使：一個端口對應多個地址

共26=64個

218，618,

A18，E18等等38當端口地址信號為：A9A8A7A6A5A4A3A2A1A01000011000即218H時,Y0輸出0，使I/O接口的CS有效方法二、用譯碼器、門電路組合實現(xiàn)218H的地址譯碼74LS1383-8譯碼器218HAY0BY1CY2G1Y3Y4G2AY5Y6G2BY7

0000110000100&A0A1A2AENA3A4A5A6A7A8A9IORIOWPC總線CSI/O接口D0~D7&RDWR數據線DBD0~D7端口譯碼電路39219H21AH21BH21CH21DH21EH21FH218H思考1：1.Y2~Y7譯出的端口地址各是多少？74LS1383-8譯碼器AY0BY1CY2G1Y3Y4G2AY5Y6G2BY7

0110000100&&端口譯碼電路A0A1A2AENA3A4A5A6A7A8A9IORIOWPC總線101010101100110011110000Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y040片內譯碼:

在芯片內部的譯碼電路

用于區(qū)分芯片內部不同的端口片選譯碼:在芯片外部的譯碼電路

用于選擇不同的芯片或端口4、片內譯碼和片選譯碼41片選譯碼通常譯出的是一個地址范圍并行接口8255ACS外設數據線A0A1RDWRPC總線IORA0A1IOWA2A3A4A5A6A7A8A9AEN片選譯碼片內譯碼端口A端口B端口C端口D串行接口8251

數/模轉換0832模/數轉換0809218~21FH220~227H228~22FH230~237H42通常將低位地址線（1位或幾位）直接連在芯片上，用于片內譯碼，而其余的高位地址線用于片選譯碼。并行接口8255ACS外設數據線A0A1RDWRPC總線IORA0A1IOWA2A3A4A5A6A7A8A9AEN片選譯碼片內譯碼端口A端口B端口C端口D串行接口8251

數/模轉換0832模/數轉換080943例

分析下圖74LS138各輸出端的譯碼地址

(片選譯碼例)74LS1383-8譯碼器218HAY0BY1CY2G1Y3Y4G2AY5Y6G2BY700010&A3A4A5+5VA6A7A8A9AENIORIOWPC總線&端口譯碼電路441.

先確定與使能控制G1、G2A、G2B相連的各引腳G1連+5V，始終有效

IOR、IOW任一為0G2A、G2B為0，則A9A8A7A6，AEN為010002.

再分析與選擇控制C、B、A相連的各引腳

3.

考慮到A2、A1、A0未參加譯碼，其值任意，即A2A1A0的取值為000~1114.

最后綜合所有地址信號的取值，得出結論。A5A4A3

CBA000Y0001Y1010Y2011Y3100Y4101Y5110Y6111Y7分析：45結論：46200~207h208~20Fh210~217h218~21Fh220~227h228~22Fh230~237h238~24Fh74LS1383-8譯碼器AY0BY1CY2G1Y3Y4G2AY5Y6G2BY7

00010&A3A4A5+5VA6A7A8A9AENIORIOWPC總線&端口譯碼電路47第三節(jié)I/O同步控制方式

CPU與外設的工作速度不一致，如何使兩者高效、可靠地進行數據傳送，是本節(jié)討論的問題。有以下幾種傳送方式：一、無條件傳送方式二、條件傳送方式(查詢方式

)三、中斷傳送方式四、

DMA傳送方式(DirectMemoryAccess)48概述1.無條件傳送（CPU與外設同步工作）：外部控制過程各種動作時間是固定的，而且是已知的。（外設處于確定就緒狀態(tài)）2.查詢方式（CPU與外設不同步工作）：傳送前，先查詢外設狀態(tài)，準備好才傳送，否則CPU處于等待狀態(tài)。493.中斷方式：

外設與CPU處于并行工作，一旦外設準備好，外設向CPU發(fā)中斷申請，條件具備，CPU暫停原程序執(zhí)行，響應中斷，外設與CPU串行工作。4.DMA方式（高速I/O及成組交換數據）：

CPU不干予，由硬件實現(xiàn)存儲器與外設之間交換數據，稱直接存取存儲器。50一、無條件傳送方式(同步傳送方式)實現(xiàn)方法

CPU不查詢外設工作狀態(tài)，與外設速度的匹配通過在軟件上延時完成，在程序中直接用I/O指令，完成與外設的數據傳送特點

1.適用于外設動作時間已知在CPU與外設進行數據傳送時，外設保證已準備好的情況

2.軟硬件十分簡單51二、條件傳送方式(查詢傳送方式)實現(xiàn)方法：

在與外設進行傳送數據前，CPU先查詢外設狀態(tài)，當外設準備好后，才執(zhí)行I/O指令，實現(xiàn)數據傳送特點：1.CPU通過不斷查詢外設狀態(tài)，實現(xiàn)與外設的速度匹配2.CPU的工作效率低52查詢傳送方式，編程流程：NY從狀態(tài)端口讀入狀態(tài)信息從數據端口傳送一個數據外設準備好否？53查詢方式輸入接口狀態(tài)端口D4=1表示外設準備好三態(tài)緩沖器輸入設備數據線218H

數據端口地址譯碼地址線

狀態(tài)端口地址譯碼鎖存器IOR

R

Q

D三態(tài)緩沖器+5vD421CH

STBPC總線IO