第7章+輸入輸出接口

微機原理與接口技術(shù)朱華貴2016年05月03日微機原理與接口技術(shù)第7章輸入輸出接口朱華貴2016年05月03日微機原理與接口技術(shù)本章主要內(nèi)容

I/O接口概述1常用I/O接口芯片2

CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式3

8086CPU的輸入輸出47.1I/O接口概述輸入和輸出設(shè)備是計算機系統(tǒng)的重要組成部分，完成輸入/輸出（簡稱I/O）操作的部件稱為輸入/輸出接口。各種外部設(shè)備通過輸入輸出接口與系統(tǒng)相連，并在接口電路的支持下實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和操作控制。計算機系統(tǒng)中接口的位置7.1.1CPU與I/O設(shè)備之間的接口信息1.數(shù)據(jù)（Data）數(shù)字量模擬量開關(guān)量2.狀態(tài)信息（Status）3.控制信息（Control）7.1.2I/O接口的主要功能1.對輸入輸出數(shù)據(jù)進行緩沖和鎖存2.對信號的形式和數(shù)據(jù)的格式進行變換3.對I/O端口進行尋址4.提供聯(lián)絡(luò)信號7.1.3I/O接口的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)端口：用于數(shù)據(jù)信息I/O的端口。CPU通過數(shù)據(jù)接收端口輸入數(shù)據(jù)，有的能保存外設(shè)發(fā)往CPU的數(shù)據(jù)；CPU通過數(shù)據(jù)輸出端口輸出數(shù)據(jù)，一般能將CPU發(fā)往外設(shè)的數(shù)據(jù)鎖存。狀態(tài)端口：CPU通過狀態(tài)端口了解外設(shè)或接口部件本身的狀態(tài)?？刂贫丝冢篊PU通過控制端口發(fā)出控制命令，以控制接口部件或外設(shè)的動作。7.1.4輸入輸出的尋址方式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(shè)端口作為存儲器的一個單元來對待，故每一個外設(shè)端口占有存儲器的一個地址。

從外部設(shè)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(shè)備輸出一個數(shù)據(jù)，則作為一次存儲器寫的操作。優(yōu)點：CPU對外設(shè)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(shè)中的數(shù)據(jù)（存于外設(shè)的寄存器中）進行算術(shù)和邏輯運算，進行循環(huán)或移位等。內(nèi)存和外設(shè)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(shè)占用了內(nèi)存單元，使內(nèi)存容量減小。7.1.4輸入輸出的尋址方式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(shè)。

但要注意實際上是以端口（Port）作為地址單元，因為一個外設(shè)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(shè)往往需要數(shù)個端口地址。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(fù)雜性。I/O芯片名稱

地址范圍

DMAC1DMAC2DMA頁面寄存器

0000-001FH00C0-00DFH0080-009FH

中斷控制器1中斷控制器2

0020-003FH00A0-00BFH

定時器并行接口芯片(鍵盤接口)RT/CMOSRAM協(xié)處理器0040-005FH0060-006FH0070-007FH00F0-00FFH系統(tǒng)板I/O接口芯片端口地址(0000H-00FFH)：PC/AT/Pentium：A8=A9=0端口(256個)為系統(tǒng)板所用，其他端口(768個)為擴展槽所用。例如：讀取計算機的實時時鐘并顯示。根據(jù)COMSRAM實時鐘信息存放位置表，是編寫程序顯示當(dāng)前的時間，格式為時時：分分：秒秒。MOVAL，4H；04H是存放“小時"的單元偏移地址OUT70H，AL；送地址端口IN AL，71H；讀數(shù)據(jù)端口7.2常用I/O接口芯片7.2常用I/O接口芯片7.3CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式

CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式一般有：程序控制方式中斷方式直接存儲器存取方式DMA通道控制方式7.3.1程序控制方式采用程序控制方式時，狀態(tài)和數(shù)據(jù)的傳輸由CPU執(zhí)行一系列指令完成。數(shù)據(jù)傳送過程中，或者由CPU查詢外設(shè)狀態(tài)，或者由外設(shè)向CPU發(fā)出請求。這種方式又可分為無條件傳輸方式和程序查詢方式。1.無條件傳輸方式CPU不需要了解外設(shè)狀態(tài)，直接與外設(shè)傳輸數(shù)據(jù)，適用于按鈕開關(guān)、發(fā)光二極管等簡單外設(shè)與CPU的數(shù)據(jù)傳送過程。這種傳輸方式的特點是硬件電路和程序設(shè)計都比較簡單，一般用于能夠確信外設(shè)已經(jīng)準(zhǔn)備就緒的場合。CPU譯碼數(shù)據(jù)線M/IOWR或門地址線接口外設(shè)輸出CPU譯碼數(shù)據(jù)線M/IORD或門地址線接口外設(shè)輸入【例7-1】接口電路如圖所示。編程不斷掃描開關(guān)Ki（i=0～7）。若開關(guān)Ki閉合，對應(yīng)的發(fā)光二極管LEDi（i=0～7）點亮，否則LEDi熄滅。CODE SEGMENTASSUME CS:CODEMAIN PROC FARSTART:

PUSHDSMOVAX,0PUSHAXAGAIN: MOVDX,200HINAL,DX；讀取開關(guān)狀態(tài)NOTAL；取反OUTDX,AL；輸出控制LEDJMPAGAIN

RET；返回DOSMAIN ENDPCODE ENDSENDSTART【例7-2】硬件連接如前例圖所示，要求LED0～LED7循環(huán)電亮。自到按“ESC”時退出。CODESEGMENTASSUMECS:CODEMAINPROCFAR

START:PUSHDSMOVAX,0PUSHAXMOVDX,200H；設(shè)置I/O端口MOVCL,01H；設(shè)置輸出初值A(chǔ)GAIN: MOVAH,1；讀鍵盤緩沖區(qū)字符INT16H

CMPAL,1BH；若為“ESC”鍵，則退出JZEXITMOVAL,CLOUTDX,AL；輸出控制LED

MOVBX,100；向子程序傳遞參數(shù)，實現(xiàn)1秒軟延時CALLDELAY；子程序DELAY實現(xiàn)10ms延時

ROLCL,1；循環(huán)左移1位

JMPAGAINEXIT:RETDELAYPROCNEAR；延時子程序DELAYPUSHBXPUSHCXWAIT0: MOVCX,2801WAIT1: LOOPWAIT1DECBXJNZWAIT0POPCXPOPBXRETDELAYENDPMAINENDPCODEENDSENDSTART2.程序查詢方式也稱為條件傳輸方式，常用于慢速設(shè)備與CPU交換數(shù)據(jù)。CPU與外設(shè)傳輸數(shù)據(jù)之前，先檢查外設(shè)狀態(tài)，如果外設(shè)處于“準(zhǔn)備好”狀態(tài)（輸入設(shè)備）或“空閑”狀態(tài)（輸出設(shè)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。程序查詢方式的一般過程為：CPU從接口中讀取狀態(tài)字；CPU檢測狀態(tài)字的相應(yīng)位，是否滿足“就緒”條件，如不滿足，則轉(zhuǎn)1）；如狀態(tài)位表明外設(shè)已處于“就緒”條件，則傳輸數(shù)據(jù)。輸入時，狀態(tài)寄存器的狀態(tài)指示要輸入的數(shù)據(jù)是否已經(jīng)準(zhǔn)備就緒；

準(zhǔn)備好？讀取狀態(tài)信息輸入數(shù)據(jù)是否數(shù)據(jù)線狀態(tài)線外設(shè)常用的狀態(tài)線有IBF，READY功能：1、輸入設(shè)備準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，狀態(tài)線有效；2、CPU讀數(shù)據(jù)端口，取走數(shù)據(jù)后，狀態(tài)線轉(zhuǎn)換為無效1、STB有效，(1)、輸入設(shè)備數(shù)據(jù)進入鎖存器；(2)、IBF有效2、CPU讀狀態(tài)端口3、CPU讀數(shù)據(jù)端口，同時清IBF外設(shè)STBIBF/RD123輸出時，狀態(tài)寄存器的狀態(tài)指示輸出設(shè)備是否空閑。忙？讀取狀態(tài)信息輸出數(shù)據(jù)否是數(shù)據(jù)線狀態(tài)線外設(shè)常用的狀態(tài)線有empty，busy功能：1、輸出設(shè)備空閑，BUSY無效；2、CPU寫數(shù)據(jù)端口，輸出設(shè)備輸出數(shù)據(jù)，狀態(tài)線轉(zhuǎn)換為有效1、CPU讀狀態(tài)端口，查BUSY線2、CPU寫數(shù)據(jù)，(1)、數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)鎖存器；(2)、BUSY有效3、輸出設(shè)備工作完畢，busy無效外設(shè)7.3.2中斷方式不讓CPU主動去查詢外設(shè)的狀態(tài)，而是讓外設(shè)在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好之后再通知CPU。這樣，CPU在沒接到外設(shè)通知前只管做自己的事情，只有接到通知時才執(zhí)行與外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸工作，從而大大提高CPU的利用率。中斷方式詳見第10章。7.3.2中斷方式主程序中斷服務(wù)子程序中斷申請信號7.3.3直接存儲器存?。―MA）方式DMA方式就是在系統(tǒng)中建立一種機制，將外設(shè)與內(nèi)存間建立起直接的通道，CPU不再直接參加外設(shè)與內(nèi)存間的數(shù)據(jù)傳輸，而是在系統(tǒng)需要進行DMA傳輸時，將CPU對地址總線、數(shù)據(jù)總線及控制總線的管理權(quán)交由DMA控制器進行控制。當(dāng)完成一次DMA數(shù)據(jù)傳輸后，再將這個控制權(quán)還給CPU。7.3.3直接存儲器存?。―MA）方式DMA方式由硬件自動實現(xiàn)的，并不需要程序進行控制。DMAC（稱為DMA控制器）芯片來完成相關(guān)工作，如內(nèi)存地址的修改、字節(jié)長度的控制。當(dāng)CPU放棄數(shù)據(jù)總線、地址總線及控制總線的控制權(quán)時，由DMAC實現(xiàn)外設(shè)和內(nèi)存間的數(shù)據(jù)交換，同時也包括與CPU之間必要的連接。ABDBCB

CPUDMACMemoryI/OHOLDHLDA(1)DMAC接收I/O接口的DMA請求，并向CPU發(fā)出總線請求信號HOLD；DMA的基本功能和步驟(2)當(dāng)CPU發(fā)出總線回答信號HLAD后，接管對總線的控制，進入DMA傳送過程；(3)能實現(xiàn)有效的尋址，即能輸出地址信息并在數(shù)據(jù)傳送過程中自動修改地址；(4)能向存儲器和I/O接口發(fā)出相應(yīng)的讀/寫控制信號；(5)能控制數(shù)據(jù)傳送的字節(jié)數(shù)，控制DMA傳送是否結(jié)束；(6)在DMA傳送結(jié)束后，能釋放總線給CPU，恢復(fù)CPU對總線的控制。7.3.4通道控制方式和I/O處理器在大、中型計算機系統(tǒng)中，配置的I/O設(shè)備很多，輸入輸出操作十分頻繁，如果僅用DMA控制器，則需要CPU不斷地對各個DMA控制器進行設(shè)置，影響CPU的正常工作。將DMA控制器的功能增強，使其能夠按CPU的意圖自行設(shè)置操作方式，控制數(shù)據(jù)傳送。于是，DMA控制器發(fā)展成了通道控制器。1.I/O通道（I/OChannel)早期的“通道”是由一些簡單的、主要用于數(shù)據(jù)輸入輸出的CPU構(gòu)成，可配置簡單的輸入輸出程序。主CPU只需使用簡單的通道命令啟動通道，二者即可并行工作。輸入輸出程序可以在主存中，也可以在通道的局部存儲器中。主CPU一旦啟動通道工作，通道控制器即從主存或通道存儲器中取出相應(yīng)的程序，控制數(shù)據(jù)的輸入輸出。2.I/O處理器（IOP）通道控制器發(fā)展成I/O處理器（I/OProcessor），也稱為I/O處理機。主要由一個進行I/O操作的CPU、內(nèi)部寄存器、局部存儲器和設(shè)備控制器組成。在一個通道處理器中可有多個通道，分別與多個設(shè)備控制器連接；而一個設(shè)備控制器可控制多臺外設(shè)工作。在實際使用中，I/O處理器與主CPU構(gòu)成多處理器（或稱多處理機）系統(tǒng)，相互并行工作。3.外圍處理機（PPU）I/O處理器的功能不斷增強，又出現(xiàn)了外圍處理機PPU（PeripheralProcessorUnit）。除了完成I/O通道所要完成的I/O控制之外，還增強了路由選擇、數(shù)碼轉(zhuǎn)換、格式處理、數(shù)據(jù)塊檢錯/糾錯等功能。它的算術(shù)邏輯處理功能增強，緩沖寄存器增多，基本上獨立于主機完成所有的輸入輸出操作。1、I/O