微機(jī)原理6-基本輸入輸出接口

12第6章基本輸入輸出接口教學(xué)重點(diǎn)

I/O接口電路的典型結(jié)構(gòu)無條件傳送方式查詢傳送方式中斷工作過程36.1I/O接口概述I/O設(shè)備有哪些？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)過中間電路再與系統(tǒng)相連46.1I/O接口概述（續(xù)1）什么是I/O接口（電路）？I/O接口是位于系統(tǒng)與外設(shè)間、用來協(xié)助完成數(shù)據(jù)傳送和控制任務(wù)的邏輯電路主板上的可編程接口芯片、I/O總線插槽的接口卡電路板（適配器adapter）都是接口電路接口一般還需要軟件支持（編程）：初始設(shè)置，工作驅(qū)動(dòng)CPU接口電路I/O設(shè)備56.1I/O接口概述（續(xù)2）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)根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的需要，使用或構(gòu)造相應(yīng)的接口電路，編制配套的接口程序66.1.1I/O接口的主要功能⑴對輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖

驅(qū)動(dòng)、隔離和鎖存⑵對信號的形式和數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行變換微機(jī)直接處理：數(shù)字量、開關(guān)量、脈沖量，而外設(shè)工作信號可能是如高電壓、大電流的模擬信號，需要進(jìn)行信號變換。⑶對I/O端口進(jìn)行尋址

一個(gè)外設(shè)可以有多個(gè)端口⑷與CPU和I/O設(shè)備進(jìn)行聯(lián)絡(luò)

外設(shè)狀態(tài)，控制信號，外設(shè)請求76.1.2I/O接口的典型結(jié)構(gòu)控制總線CB地址總線ABI/O接口電路數(shù)據(jù)控制狀態(tài)數(shù)據(jù)總線DBCPU外設(shè)控制寄存器狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)寄存器8I/O接口的典型結(jié)構(gòu)1.接口電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.接口電路的外部特性3.接口芯片的分類4.接口芯片的可編程性91.接口電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)CPU與外設(shè)主要有數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制信息需要相互交換，于是從應(yīng)用角度看內(nèi)部： ⑴數(shù)據(jù)寄存器保存外設(shè)給CPU和CPU發(fā)往外設(shè)的數(shù)據(jù) ⑵狀態(tài)寄存器保存外設(shè)或接口電路的狀態(tài) ⑶控制寄存器保存CPU給外設(shè)或接口電路的命令102.接口電路的外部特性面向CPU一側(cè)的信號（比較統(tǒng)一）：用于與CPU連接主要是數(shù)據(jù)、地址和控制信號（與M類似）面向外設(shè)一側(cè)的信號(各不相同）：用于與外設(shè)連接提供的信號五花八門功能定義、時(shí)序及有效電平等差異較大113.接口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)模集成電路芯片（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，如8255面向外設(shè)的專用接口芯片針對某種外設(shè)設(shè)計(jì)、與該種外設(shè)接口，如8279（鍵盤/顯示器接口芯片

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，如8259(中斷控制器），8237（DMA控制器），8253（定時(shí)/計(jì)數(shù)器）124.接口電路的可編程性（Programmable）許多接口電路具有多種功能和工作方式，可以通過編程的方法選定其中一種；多數(shù)接口不僅需要進(jìn)行物理連接，還需要編寫接口軟件；其工作方式和內(nèi)部資源可通過編程加以控制，因此為接口設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了更大的靈活性。136.1.3I/O端口的編址接口電路占用的I/O端口有兩類編排形式I/O端口單獨(dú)編址I/O地址空間獨(dú)立于存儲地址空間如8086/8088I/O端口與存儲器統(tǒng)一編址它們共享一個(gè)地址空間如M6800（Motrola）14I/O端口單獨(dú)編址優(yōu)點(diǎn)：I/O端口的地址空間獨(dú)立控制和地址譯碼電路相對簡單專門的I/O指令使程序清晰易讀缺點(diǎn)：I/O指令沒有存儲器指令豐富80x86采用I/O端口獨(dú)立編址，參見P14內(nèi)存空間I/O空間FFFFF0FFFF015I/O端口與存儲器統(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器地址空間程序不易閱讀（不易分清訪存和訪問外設(shè)）內(nèi)存部分I/O部分存儲空間0FFFFF166.1.48088/8086的輸入輸出指令輸入指令I(lǐng)NAL,i8/DX ;字節(jié)輸入INAX,i8/DX ;字輸入輸出指令OUTi8/DX,AL ;字節(jié)輸出OUTi8/DX，AX ;字輸出176.1.5I/O地址的譯碼I/O地址的譯碼方法與存儲器地址的譯碼方法一樣，但有它的特點(diǎn)：允許“浪費(fèi)”不強(qiáng)調(diào)地址的連續(xù)性，因?yàn)楦魍庠O(shè)的操作相對獨(dú)立，且訪問頻率遠(yuǎn)低于存儲器例：書P157，圖6-218用門電路實(shí)現(xiàn)I/O地址譯碼A9A8A7A6A5A2A4A3AENA1A074LS30(8輸入與非門）I/O地址3E7HA9-A0：1111100111B19用跳線和撥動(dòng)開關(guān)設(shè)置接口地址的例子（P158）20IBMPC/XT主機(jī)板的I/O譯碼電路Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7A5A6A7A8A9-AEN-IOWAB

C-E1-E2E374LS138-DMACS（8237）-INTRCS（8259）-T/CCS（8253）-PPICS（8255）-WRTDMAPG（寫DMA頁面寄存器）-WRTNMIREG（寫NMI屏蔽寄存器）接口芯片內(nèi)部譯碼A0～A4-AEN:DMA地址有效21IBMPC/AT主機(jī)板的I/O譯碼電路接口芯片內(nèi)部譯碼A0～A4DMA控制器1中斷控制器1定時(shí)計(jì)數(shù)器并行接口電路DMA頁面寄存器中斷控制器2DMA控制器2協(xié)處理器A5A6A7A8A9138譯碼器HLDAMASTERABCE1-E2-E3Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7HLDA和MASTER有效，表示別的設(shè)備控制總線，CPU不能尋址I/O226.1.6CPU與外設(shè)的數(shù)據(jù)傳送方式程序控制下的數(shù)據(jù)傳送——通過CPU執(zhí)行程序中的I/O指令來完成傳送，又分為：無條件傳送查詢傳送中斷傳送直接存儲器存?。―MA）——傳送請求由外設(shè)向DMA控制器（DMAC）提出，后者向CPU申請總線，最后DMAC利用系統(tǒng)總線來完成外設(shè)和存儲器間的數(shù)據(jù)傳送I/O處理機(jī)——CPU委托專門的I/O處理機(jī)來管理外設(shè)，完成傳送和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理236.2無條件傳送方式及其接口在CPU與慢速變化的設(shè)備交換數(shù)據(jù)時(shí)，可以認(rèn)為它們總是處于“就緒”狀態(tài)，隨時(shí)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，這就是無條件傳送，或稱立即傳送、同步傳送適合于簡單設(shè)備，如LED數(shù)碼管、按鍵/按鈕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(shè)必須隨時(shí)處于就緒狀態(tài)傳送流程接口實(shí)例24無條件傳送：輸入示例IOR三態(tài)緩沖器OEI/O裝置地址譯碼器CSD7～D0A15～A1A00160HMOVDX,160HINAL,DX25無條件傳送：輸入示例MOVDX,160HINAL,DX74LS244+5V10Kx8G1G2數(shù)據(jù)總線CSRD26無條件傳送：輸出示例地址譯碼器數(shù)據(jù)鎖存器A15A0～A14-IOWCS0160H輸出設(shè)備D7～D0MOVDX,160HMOVAL,[BX]OUTDX,AL27無條件傳送：輸出實(shí)例MOVDX,160HMOVAL,[BX]OUTDX,AL+5V74LS373300

x8LEOE數(shù)據(jù)總線CSWR28無條件傳送：輸入輸出接口K7K1K0+5VD0～D7A0～A15CLK74LS06反相驅(qū)動(dòng)器74LS2738D鎖存器74LS244三態(tài)緩沖器8000H譯碼+5VLED0LED7……-G-IOW-IOR兩個(gè)端口地址共用8000H，怎么區(qū)分？29無條件傳送：輸入輸出接口 movdx,8000h ;DX指向數(shù)據(jù)端口next:

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)程序執(zhí)行效果？K0閉合，LED0亮還是滅？306.3查詢傳送方式及其接口CPU先了解（查詢）外設(shè)的工作狀態(tài)，在外設(shè)就緒（可以交換信息）的情況下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入或輸出對多個(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)交換查詢傳送的特點(diǎn)是：工作可靠，適用面寬，但傳送效率低31查詢傳送的兩個(gè)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)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)交換YN傳送流程接口實(shí)例326.3.1查詢輸入接口-IOR+5V8D鎖存器8位三態(tài)緩沖器譯碼1位三態(tài)緩沖器

A0～A158000H8001HD0～D7D0輸入設(shè)備-IOR-STB-RQD兩次讀入數(shù)據(jù)：1、D0（狀態(tài)口），

2、D0-D7（數(shù)據(jù)口）33查詢輸入接口

movdx,8000h ;DX指向狀態(tài)端口status:inal,dx

;讀狀態(tài)端口

testal,01h

;測試標(biāo)志位D0（al&01h)

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)346.3.2查詢輸出接口8D鎖存器譯碼1位三態(tài)緩沖器RQ

A0～A158000H8001HD0～D7D7D+5V-ACK-IOW-IOR輸出設(shè)備狀態(tài)口35查詢輸出接口 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366.4中斷傳送方式程序斷點(diǎn)主程序中斷請求為外設(shè)繼續(xù)執(zhí)行返回?cái)帱c(diǎn)傳送流程CPU在執(zhí)行程序中，被內(nèi)部或外部的事件所打斷，轉(zhuǎn)去執(zhí)行一段預(yù)先安排好的中斷服務(wù)程序；服務(wù)結(jié)束后，又返回原來的斷點(diǎn)，繼續(xù)執(zhí)行原來的程序提供服務(wù)中斷服務(wù)程序

入口376.4.1中斷傳送與接口中斷傳送是一種效率更高的程序傳送方式；中斷過程的完成由中斷系統(tǒng)（硬件，如8259和CPU）和中斷服務(wù)程序（軟件）共同控制完成；進(jìn)行傳送的中斷服務(wù)程序是預(yù)先設(shè)計(jì)好的，其入口地址已知；中斷請求是外設(shè)隨機(jī)向CPU提出的（時(shí)間隨機(jī)）；程序執(zhí)行到何位置（斷點(diǎn)）也是隨機(jī)的（地點(diǎn)隨機(jī)）；38中斷可能來自CPU內(nèi)部，也可能來自CPU外部外部中斷可分為可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷

可屏蔽中斷：INTR引入；-INTA響應(yīng)。CPU可通過設(shè)置IF=1（開中斷）和IF=0（關(guān)中斷）決定是否響應(yīng)。

不可屏蔽中斷：NMI。必須響應(yīng)，直接激活中服，如電源掉電、奇偶校驗(yàn)出錯(cuò)、浮點(diǎn)運(yùn)算出錯(cuò)等。39CPU對中斷請求的檢測是有規(guī)律的：一般是在每條指令的最后一個(gè)時(shí)鐘周期采樣中斷請求輸入引腳本章主要論述中斷在輸入和輸出方面的應(yīng)用：即中斷傳送中斷還有著非常廣泛的應(yīng)用，如程序調(diào)試（軟中斷）等；時(shí)鐘中斷：多道程序并發(fā)執(zhí)行的推動(dòng)力40三態(tài)緩沖器中斷輸入接口（向量中斷）D0～D7+5V8D鎖存器8位三態(tài)緩沖器RQ

譯碼8001H中斷向量號（8259提供）D0～D7INTRD輸入設(shè)備中斷允許觸發(fā)器A0～A15中斷請求觸發(fā)器-IOR-INTA-STB數(shù)據(jù)口1、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，產(chǎn)生中斷請求信號2、CPU響應(yīng)中斷，接收中斷向量號3、根據(jù)中斷向量，找到中服程序，讀取數(shù)據(jù)41？中斷向量如何獲取中斷向量表：在內(nèi)存的前1K字節(jié)，可容納256個(gè)中斷向量；每個(gè)中斷向量占用4個(gè)字節(jié)，用于存儲對應(yīng)中斷源的服務(wù)程序入口地址。一部分為系統(tǒng)保留，其余用戶可用，可作為外部中斷源向量。每個(gè)中斷向量，即一個(gè)1字節(jié)的中斷類型碼（00H~FFH），比如88H。426.4.2中斷工作過程（可屏蔽）中斷請求（外設(shè)）中斷響應(yīng)（CPU）關(guān)中斷（CPU）斷點(diǎn)保護(hù)（CPU）中斷識別（硬件/軟件）現(xiàn)場保護(hù)（用戶）中斷服務(wù)（用戶）恢復(fù)現(xiàn)場（用戶）開中斷（CPU/用戶）中斷返回（IRET，用戶）中斷服務(wù)是進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的實(shí)質(zhì)性環(huán)節(jié)43CPU響應(yīng)中斷的條件中斷請求時(shí)，沒有更高級別的請求發(fā)生，如RESET、HOLD、NMI等；中斷請求應(yīng)保持到它被響應(yīng)為止；44斷點(diǎn)保護(hù)與現(xiàn)場保護(hù)的不同斷點(diǎn)保護(hù)是CPU自動(dòng)完成的，保護(hù)內(nèi)容有：FLAGS、CS、IP等；現(xiàn)場保護(hù)：用戶根據(jù)需要在程序中施行，用PUSH。456.4.3中斷識別和中斷優(yōu)先權(quán)處理問題1：CPU如何識別中斷源？一個(gè)中斷源： 向量中斷（硬件）P164，圖6-12多個(gè)中斷源： 中斷查詢（軟/硬件結(jié)合）中斷源的識別46中斷查詢接口A0～A15鎖存器INTR三態(tài)緩沖器譯碼

8001HD0～D7中斷A中斷B中斷C中斷H……-IOR軟件流程見圖6-14中服程序依次查詢中斷A-H，看有否發(fā)出申請，先查的優(yōu)先級高476.4.3中斷優(yōu)先權(quán)（續(xù)1）問題2：有多個(gè)中斷同時(shí)請求，CPU如何應(yīng)對？硬件方案1：鏈?zhǔn)絻?yōu)先權(quán)排隊(duì)電路2：優(yōu)先權(quán)編碼電路中斷優(yōu)先級排隊(duì)48鏈?zhǔn)街袛鄡?yōu)先權(quán)排隊(duì)電路A2A1C2C1D2D1B2B1中斷源A觸發(fā)器中斷源B觸發(fā)器中斷源C觸發(fā)器中斷矢量D中斷矢量C中斷矢量B中斷矢量A中斷源D觸發(fā)器緩沖器緩沖器緩沖器緩沖器-INTA高優(yōu)先級INTRD0～D71、產(chǎn)生請求信號2、關(guān)閉B23、送出中斷矢量49中斷優(yōu)先權(quán)編碼電路比較器失效信號（當(dāng)前無中斷服務(wù)時(shí)有效）比較器8:3優(yōu)先權(quán)編碼器優(yōu)先權(quán)寄存器D0～D721A＜B中斷請求0中斷請求1中斷請求2A0A1A2INTRB0B1B2…有中斷請求中斷請求7低優(yōu)先權(quán)記錄正在服務(wù)的中斷編碼，若無，則輸出比較器失效信號50

設(shè)中斷源2有中斷請求，1、若當(dāng)前沒有中斷服務(wù)…2、當(dāng)前正在服務(wù)的是中斷源1（優(yōu)先級高于2）…3、當(dāng)前正在服務(wù)的是中斷源5（優(yōu)先級低于2）…516.4.3中斷優(yōu)先權(quán)（續(xù)2）問題3：中斷處理過程中，又有中斷提出請求，怎么辦？辦法1：鏈?zhǔn)絻?yōu)先權(quán)排隊(duì)電路辦法2：優(yōu)先權(quán)編碼電路中斷嵌套526.5DMA傳送方式希望克服程序控制傳送的不足： 外設(shè)→CPU→存儲器 外設(shè)←CPU←存儲器直接存儲器存取DMA：不經(jīng)CPU，不用指令

外設(shè)→存儲器（DMA寫）

外設(shè)←存儲器（DMA讀）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53DMA傳送特點(diǎn)：DMAC同時(shí)訪問存儲器和I/O設(shè)備；對一個(gè)對象讀，必然對另一個(gè)對象寫；只對存儲單元進(jìn)行尋址，對I/O端口不尋址。54DMA傳送的工作過程⑴CPU對DMA控制器進(jìn)行初始化設(shè)置⑵外設(shè)、DMAC、CPU，3者通過應(yīng)答信號建立聯(lián)系：CPU將總線暫交DMAC控制，事后再將控制權(quán)收回。⑶DMA傳送DMA讀：存儲器→外設(shè)DMA寫：存儲器←外設(shè)⑷DMAC的功能：對存儲器尋址地址動(dòng)加1/減1計(jì)數(shù)器減1判斷傳送是否完成傳送流程55DMA傳送（以DMA寫為例）-MEMW-IOR數(shù)據(jù)總線地址總線輸入設(shè)備存儲器DMACCPU②③④①HOLDHLDA56DMA傳送流程HLDA發(fā)存儲器地址傳送數(shù)據(jù)傳送結(jié)束？DMA結(jié)束修改地址指針57傳送方式的比較無條件傳送：慢速外設(shè)需與CPU保持同步查詢傳送：簡單實(shí)用，效率較低中斷傳送：外設(shè)主動(dòng)，可與CPU并行工作，但每次傳送需要大量額外時(shí)間開銷DMA傳送：DMAC控制，外設(shè)直接和存儲器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，適合大量、快速數(shù)據(jù)傳送58第