第四章輸入與輸出及IO端口、地址譯碼

§1.概述

一.外部設(shè)備特點由以上特點，對I/O部分設(shè)計必須考慮兩個問題：A外設(shè)如何與CPU連接----必須通過I/O接口.BCPU如何尋址相應(yīng)的I/O設(shè)備----通過尋址與設(shè)備對應(yīng)的I/O端口.

本章將圍繞這兩個問題，從I/O的一般特性入手，以80X86CPU為實例，闡述CPU通過各種I/O接口與I/O設(shè)備連接,對I/O設(shè)備的尋址,存取,CPU與設(shè)備之間進(jìn)行輸入/輸出的基本方法以及CPU對I/O的控制基本過程。注意:這里的I/O設(shè)備泛指:（1）品種繁多。（2）工作速度一般比CPU慢，且速度的分布也相當(dāng)寬。（3）信號類型與電平種類多樣化。（4）信息結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜。第四章輸入與輸出及I/O端口

地址譯碼2/6/2023二。I/O接口和I/O端口

1。I/O接口.(Interface)（1）I/O接口是一電子電路(以IC芯片或接口板形式出現(xiàn)),其內(nèi)有若干專用寄存器和相應(yīng)的控制邏輯電路構(gòu)成.它是CPU和I/O設(shè)備之間交換信息的媒介和橋梁.（2）I/O接口的基本功能為:

?進(jìn)行端口地址譯碼設(shè)備選擇

?向CPU提供I/O設(shè)備的狀態(tài)信息和進(jìn)行命令譯碼?進(jìn)行定時和相應(yīng)時序控制。?對傳送數(shù)據(jù)提供緩沖，以消除計算機(jī)與外設(shè)在“定時”或數(shù)據(jù)處理速度上的差異。?提供計算機(jī)與外設(shè)間有關(guān)信息格式的相容性變換。提供有關(guān)電氣的適配?還可以中斷方式實現(xiàn)CPU與外設(shè)之間信息的交換2/6/2023（3）MPU與I/O之間的接口信號數(shù)字：如二進(jìn)制表示的字母.BCD碼.ASC2碼或字符。開關(guān)量：一些兩個狀態(tài)的量。狀態(tài)信號：表示I/O裝置狀態(tài)的量?？刂菩盘枺喝鏑PU發(fā)出的R/W信號和從外設(shè)發(fā)來的中斷信號等。MPUI/O設(shè)置數(shù)據(jù)狀態(tài)控制2/6/2023對CPU來說，外設(shè)狀態(tài)信息須作為數(shù)據(jù)輸入，而其控制命令作為數(shù)據(jù)輸出，為使它們與數(shù)據(jù)相互區(qū)別------這三者必須從各自端口出入。2/6/20232.I/O端口(Port)是I/O接口中可通過編程實現(xiàn)尋址并進(jìn)行讀寫的寄存器。CPU與外設(shè)之間交換信息具體是通過I/O端口來進(jìn)行的。即端口寄存器Note:1.一個外設(shè)與CPU交換信息往往需要幾個端口：數(shù)據(jù)端口控制端口狀態(tài)端口有時可以合用2/6/20232.在微機(jī)系統(tǒng)中，每個端口分配有唯一的地址碼，稱之為端口地址。3.CPU對外設(shè)的訪問實際上是通過對I/O端口的訪問來實現(xiàn)的-----因為端口與設(shè)備是一一對應(yīng)的關(guān)系4.I/O通道也就是可以傳送和暫存數(shù)據(jù)的實際通路,所以I/O端口有時也稱作I/O通道。2/6/2023ABDBCBCPUI/O接口I/O設(shè)備

端口數(shù)據(jù)控制狀態(tài)CPU與外設(shè)通過I/O接口通信示意圖：2/6/2023§2I/O端口編址方式一。存儲器映象I/O尋址1?；窘Y(jié)構(gòu)

從存儲器空間劃出一部分地址空間給I/O設(shè)備，把I/O接口中的端口當(dāng)作存儲器單元一樣進(jìn)行訪問，不設(shè)置專門的I/O指令。2/6/20232：特點（1）主存單元與I/O端口一起編址。（2）據(jù)地址區(qū)分訪問是I/O端口還是主存。（3）系統(tǒng)中可以不設(shè)I/O指令。3：優(yōu)缺點（1）指令兼容性，存儲器指令也可用于I/O數(shù)據(jù)。（2）I/O接口有較大的編址空間。（3）I/O部分的控制邏輯比較簡單。但是，其指令功能不強(qiáng)，且處理機(jī)芯片有額外的對I/O進(jìn)行操作的控制引腳。2/6/2023二。獨立I/O的尋址方式1：特點（1）主存單元與I/O端口分開尋址（2）設(shè)置I/O指令（3）指明是訪問I/O端口，還是主存單元？2：基本結(jié)構(gòu)：略3：優(yōu)缺點：（1）獨立的控制結(jié)構(gòu)，使其可與存儲器分開進(jìn)行設(shè)計。

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但是，其指令功能不強(qiáng)，且處理機(jī)芯片有額外的對I/O進(jìn)行操作的控制引腳。（2）單獨的I/O指令，可與訪問存儲器的指令區(qū)分。（3）指令地址較短，所需譯碼硬件較少。（4）指令格式較短，執(zhí)行時間也短。2/6/2023三。80X86的I/O指令1。輸入指令I(lǐng)NINAL，nINAX，nINAL，DXINAX，DX2。輸出指令OUTOUTN，AL/AX；OUTDX，AL/AX；說明

兩種指令均可傳送一個字節(jié)或字，且只能通過AL或者AX傳送。如：IN指令中的目的操作數(shù)必須是AL（字節(jié)傳送）或AX（字傳送）2/6/2023四、獨立編址方式的端口訪問1.I/O指令中端口地址的寬度IBM-PC系列采用I/O(input/output)指令訪問端口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的I/O傳送。在I/O指令中可采用單字節(jié)地址或雙字節(jié)地址尋址方式。若用單字節(jié)地址作業(yè)端口地址，則最多可訪問256個端口。其指令格式為：INAL,PORT；輸入OUTPORT,AL；輸出這里，PORT是一個8位的字節(jié)地址。例如：INAL,60H；60H為系統(tǒng)板8255A的PA端口地址OUT61H,AL；61H為系統(tǒng)板8255A的PB端口地址2/6/2023雙字節(jié)地址作為端口地址，則最多可尋址216=64K個端口。MOVDX,××××HINAL,DX；8位傳送MOVDX,××××HOUTDX,AL；8位傳送這里，××××H為16位的兩字節(jié)地址。例如：MOVDX,300H;300H為擴(kuò)展板8255A的PA端口INAL,DXMOVDX,301H;301H為擴(kuò)展板8255A的PB端口OUTDX,AL2/6/20232.I/O端口訪問所謂對端口的訪問就是CPU對端口的讀/寫。將端口的數(shù)據(jù)傳送存儲器例如：輸入時MOVDX,300H;I/O端口

INAL,DX;從端口讀數(shù)據(jù)到ALMOV[DI],AL;將數(shù)據(jù)從AL→存儲器輸出時MOVDX,301H;I/O端口

MOVAL,[SI];從內(nèi)存取數(shù)到ALOUTDX,AL;數(shù)據(jù)從AL→端口2/6/2023

§3

I/O端口地址分配一、I/O接口硬件分類I/O接口的硬件分成兩類：1.系統(tǒng)板上的I/O芯片如定時/計數(shù)器、中斷控制器、DMA控制器、并行接口等。2.I/O擴(kuò)展槽上的接口控制卡如軟驅(qū)卡、硬驅(qū)卡、圖形卡、聲卡、打印卡、串行通信卡等。2/6/2023二、I/O端口地址分配PC微機(jī)是根據(jù)上述I/O接口的硬件分類，把I/O空間分成兩部分。PC微機(jī)I/O地址線可有16根，對應(yīng)的I/O端口編址可達(dá)64K字節(jié)，其端口地址譯碼是采用部分譯碼法，即只使用了低10位地址線一個A0~A9，故其I/0端口地址范圍是0000H~003FFH,總共只有1024個端口。2/6/2023表2.1系統(tǒng)板上接口芯片的端口地址I/O芯片名稱端口地址DMA控制器1000~01FHDMA控制器20C0~0DFHDMA頁面寄存器080~09FH中斷控制器1020~03FH中斷控制器20A0~0BFH

定時器040~05FH并行接口芯片（鍵盤接口）060~06FHRT/CMOSRAM070~07FH

協(xié)處理器0F0~0FFH2/6/2023表2.2擴(kuò)展槽上接口控制卡的端口地址I/0接口名稱端口地址游戲控制卡200～20FH并行口控制卡1370～37FH并行口控制卡2270～27FH串行口控制卡13F8～3FFH串行口控制卡22F0～2FFH原型插件板（用戶可用）300～31FH同步通信卡13A0～3AFH同步通信卡2380～38FH單顯MDA3B0～3BFH彩顯CGA3D0～3DFH彩顯EGG/VGA3C0～3CFH硬驅(qū)控制卡1F0～1FFH軟驅(qū)控制卡3F0～3F7HPC網(wǎng)卡360～36FH2/6/2023三、I/O端口地址選用的原則①凡是被系統(tǒng)配置占用了的地址一律不能使用；②未被占用的地址，用戶可以使用，但申明保留的地址，不要使用。③用戶可使用300H~31FH地址。2/6/2023

§4I/O端口地址譯碼一、I/O地址譯碼電路工作原理及作用1.譯碼電路的輸入信號I/O地址譯碼電路不僅僅與地址信號有關(guān)，而且與控制信號有關(guān)。二、I/O地址譯碼方法①高位地址線與CPU的控制信號進(jìn)行組合，經(jīng)譯碼電路產(chǎn)生I/O接口芯片CS的片選。②低位地址線不參加譯碼，直接連到I/O接口芯片，進(jìn)行I/O接口芯片的片內(nèi)端口尋址，即寄存器尋址。2/6/2023三、I/O端口地址譯碼電路設(shè)計1.固定式端口地址譯碼固定式是指接口中用到的端口地址不能更改。例1：使用74LS20/30/32和74LS04設(shè)計I/O端口地址為2F8H的只讀譯碼電路。分析：若要產(chǎn)生2F8H端口地址，則譯碼電路的輸入地址線就應(yīng)具有如下所示的值。譯碼電路輸入地址線的值地址線00A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0

二進(jìn)制001011111000十六進(jìn)制2F82/6/2023譯碼電路輸入：地址線:10根,地址值：2F8HA9~A0=1011111000B 控制線：AEN=0IOR=0譯碼電路輸出： Y=0為譯碼選中。

2/6/2023A9A8A7A3A2A1A0AENIOR&&≥Y2/6/2023 當(dāng)執(zhí)行指令：MOVDX，2F8HINAL，DX時，Y=0，對應(yīng)端口被選中2/6/2023

例⒉用門電路設(shè)計地址為2E2H的讀寫譯碼電路。

Y2(寫)&≥&≥≥A9A8A7A4A3A2A1A0AENIORIOWY1(讀)2/6/2023例⒊使用專用譯碼器LS138設(shè)計PC機(jī)主板接口的譯碼電路。

LS138譯碼器功能：當(dāng)控制信號G2A=0，G2B=0G=1，對應(yīng)ABC任一組合，Y0~Y7中一定有一個為（0）。2/6/202374LS138譯碼器輸入與輸出對應(yīng)關(guān)如下： CBA輸出 000 /Y0=0其它輸出為高電平 001 /Y1=0其它輸出為高電平 010 /Y2=0其它輸出為高電平 011 /Y3=0其它輸出為高電平 100 /Y4=0其它輸出為高電平 101 /Y5=0其它輸出為高電平 110 /Y6=0其它輸出為高電平 111 /Y7=0其它輸出為高電平

2/6/2023A/Y0B/Y1C/Y2/Y3/G2B/Y4/G2A/Y5G1/Y6/Y774LS138≥≥A5A6A7A8

A9AENIOW/DMACS（8237）/INTERCS（8259）/TCCS（8253）/PPICS（8255）/WRTDMAPG/WRTNMIREG2/6/20232.可選式端口地址譯碼---即

采用比較器設(shè)計可選址的譯碼電路

地址線：A1A0不參加譯碼。 A4A3A2輸入組合使74LS138譯碼器輸出八個片選信號。 A5=0，A9A8A7A6采用比較器和跳線開關(guān)變址。比較器為74LS85，A0A1A2A3和B0B1B2B3為待比較的數(shù)據(jù)。輸入“A=B”為高選擇相等比較。輸出“A=B”為1輸入兩組數(shù)據(jù)相等，否則輸入兩組數(shù)據(jù)不相等。

2/6/2023A0A1A2A3B0B1B2B3A=BA=BABC/G2A/G2BG1A5A6A7A8SWLS138/Y0/Y1/Y2/Y3/Y4/Y5/Y6/Y7A2A3A4A5AENVCC2/6/2023例：設(shè)計擴(kuò)展板上的I/O端口地址譯碼電路，要求讓擴(kuò)展板上每個接口芯片的內(nèi)部端口數(shù)目為4個，并且，端口地址可選。例如，選擇地址范圍為300H~31FH.分析：①對于DIP開關(guān)，有兩種狀態(tài)：合（ON）和斷（OFF）。②對于比較器有兩點要考慮，一是比較的對象，二是比較的結(jié)果。2/6/2023

§5I/O程序傳送方式一。無條件傳送方式指在外部控制過程的定時是固定的或已知的條下，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的方式。條件：必須在已知并確信外設(shè)已準(zhǔn)備就緒下，才能應(yīng)用。（1）輸入操作的進(jìn)行輸入時，認(rèn)為外設(shè)數(shù)據(jù)已至三態(tài)緩沖器，CPU執(zhí)行IN指令。

在這種傳送方式中，微型機(jī)與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送由程序來控制。2/6/2023三太緩沖器地址譯碼器M/IORDDATA數(shù)據(jù)來自外設(shè)此時，指定端口地址送至譯碼器，CPU進(jìn)入輸入周期。選中的地址信號與M/IO及RD信號相‘與’，選通緩沖器，同時外設(shè)數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)總線輸入CPU。1.無條件傳送的輸入方式1CPU2/6/2023

2。無條件傳送的輸出方式地址譯碼器鎖存器CE1M/IORD地址總線到外設(shè)此時，CPU信息經(jīng)數(shù)據(jù)總線輸出到鎖存器，端口地址送至譯碼器，選中的地址信號和M/IO及WR相“與”，去選通鎖存器，信息保留其中，由它把信息通過外設(shè)輸出。CPU2/6/2023測試I/O設(shè)備狀態(tài)準(zhǔn)備就緒？啟動執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送I/O設(shè)備暫停結(jié)束NY3。查詢式I/O傳送例如：程序TEST:INAL,2: