數(shù)據(jù)端口由鎖存器實(shí)現(xiàn)基本輸入輸出接口34查詢方式的典型課件

微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)第六章：基本輸入輸出接口教學(xué)提示：按照馮·諾依曼對(duì)計(jì)算機(jī)的劃分，計(jì)算機(jī)包括運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五個(gè)大的部分。在前面的章節(jié)中，我們主要介紹了CPU與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳送和數(shù)據(jù)處理。但是，計(jì)算機(jī)要與外界聯(lián)系，就必須通過輸入設(shè)備接收信息、通過輸出設(shè)備發(fā)送信息，在本章中我們主要介紹這部分知識(shí)。教學(xué)要求:通過本章學(xué)習(xí)，需要掌握輸入/輸出接口的基本概念，掌握I/O接口的分類和基本功能，掌握CPU與外部設(shè)備數(shù)據(jù)傳送的幾種基本方式和相關(guān)的指令2CompanyLogo第六章：基本輸入輸出接口教學(xué)提示：教學(xué)要求:2Company基本內(nèi)容:6.1I/O接口概述6.1.1I/O接口的主要功能

6.1.2I/O接口

6.1.3I/O端口的編址方法

6.1.48088/8086的輸入/輸出指令6.2I/O接口的數(shù)據(jù)傳送方式6.2.1無條件傳送方式及其接口

6.2.2查詢傳送方式及其接口

6.2.3中斷傳送方式及其接口

6.2.4DMA傳送方式第六章：基本輸入輸出接口3CompanyLogo基本內(nèi)容:6.1I/O接口概述第六章：基本輸入輸出接§6.1I/O接口概述輸入/輸出設(shè)備的種類十分繁雜，各自有著不同的電平信號(hào)、數(shù)據(jù)格式、傳送速度等，通常與CPU的訪問信號(hào)是不協(xié)調(diào)的，所以CPU一般不能直接訪問這些輸入/輸出設(shè)備，而是要在CPU和輸入/輸出設(shè)備之間安置一個(gè)接口電路，通過接口電路的轉(zhuǎn)換，使得來自輸入設(shè)備的信號(hào)能夠被CPU讀取、CPU的輸出信號(hào)能夠被輸出設(shè)備接受。第六章：基本輸入輸出接口4CompanyLogo§6.1I/O接口概述輸入/輸出設(shè)備的種類十分

用于連接CPU和外部設(shè)備，并進(jìn)行相應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換的電路稱為I/O接口電路(或接口電路)。

計(jì)算機(jī)

外設(shè)接口鍵盤鼠標(biāo)CRT打印機(jī)繪圖儀第六章：基本輸入輸出接口5CompanyLogo用于連接CPU和外部設(shè)備，并進(jìn)行相應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換

I/O接口的基本功能是能夠根據(jù)CPU的要求對(duì)I/O設(shè)備進(jìn)行管理與控制，實(shí)現(xiàn)信號(hào)邏輯及工作時(shí)序的轉(zhuǎn)換，保證CPU與外設(shè)之間能進(jìn)行可靠有效的信息交換。

1、對(duì)輸入/輸出的信號(hào)進(jìn)行變換

輸入/輸出設(shè)備的信號(hào)與CPU的信號(hào)在數(shù)據(jù)格式、電平高低、傳送速度等方面有著很大的差別，所以接口電路就需要把這些信號(hào)變換成適合對(duì)方的形式。第六章：基本輸入輸出接口6CompanyLogoI/O接口的基本功能是能夠根據(jù)CPU的要求對(duì)I/O設(shè)

2、對(duì)輸入/輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖和鎖存

通常輸入/輸出設(shè)備的工作速度比CPU都慢很多，而且CPU的工作繁忙，所以要對(duì)輸入/輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖和鎖存，有效地提高整個(gè)計(jì)算機(jī)的工作效率。第六章：基本輸入輸出接口7CompanyLogo2、對(duì)輸入/輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖和鎖存第六章：基本輸入輸（1）輸出時(shí)，數(shù)據(jù)必須鎖存。

CPU輸出某個(gè)數(shù)據(jù)后，馬上就要進(jìn)行后續(xù)的其他工作，而這時(shí)輸出設(shè)備還沒取走該數(shù)據(jù)，這就需要接口電路（通常采用鎖存器）把CPU輸出的數(shù)據(jù)鎖存下來，供輸出設(shè)備讀取。第六章：基本輸入輸出接口8CompanyLogo（1）輸出時(shí)，數(shù)據(jù)必須鎖存。第六章：基本輸入輸出接口8Com

（2）輸入時(shí)，數(shù)據(jù)必須進(jìn)行緩沖隔離。當(dāng)輸入設(shè)備向CPU送來一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，此時(shí)CPU可能正在使用數(shù)據(jù)總線進(jìn)行其他相關(guān)工作，所以需要接口電路（通常采用三態(tài)緩沖器）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖。待CPU有空來選通接口電路讀取這數(shù)據(jù)。第六章：基本輸入輸出接口9CompanyLogo（2）輸入時(shí)，數(shù)據(jù)必須進(jìn)行緩沖隔離。第六章：基本輸入輸出

3、完成設(shè)備的選擇和尋址

一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，需要通過許多接口電路連接了許多外部設(shè)備，當(dāng)CPU訪問到該接口電路中寄存器時(shí)，應(yīng)執(zhí)行相應(yīng)的讀寫操作，而當(dāng)CPU訪問其他接口電路中寄存器時(shí)，則這個(gè)接口電路不應(yīng)操作。第六章：基本輸入輸出接口10CompanyLogo3、完成設(shè)備的選擇和尋址第六章：基本輸入輸出接口10§6.1.2I/O接口1、數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息及控制信息

CPU和外設(shè)之間傳送三種信息—數(shù)據(jù)信息、控制信息和狀態(tài)信息。數(shù)據(jù)信息:有數(shù)字量、模擬量和開關(guān)量三種類型：數(shù)字量：以二進(jìn)制碼形式提供的信息。開關(guān)量：用2個(gè)狀態(tài)表示的信息。模擬量：指由傳感器等提供的由物理量轉(zhuǎn)換成的相應(yīng)的連續(xù)變化的電信號(hào)。第六章：基本輸入輸出接口11CompanyLogo§6.1.2I/O接口1、數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息及控制信息

狀態(tài)信息——表征外設(shè)的工作狀態(tài)對(duì)輸入接口,外設(shè)是否準(zhǔn)備好發(fā)送數(shù)據(jù)，“READY”準(zhǔn)備好?對(duì)輸出接口,外設(shè)是否準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，“BUSY”外設(shè)忙嗎?控制信息——CPU控制外設(shè)工作的命令

CPU通過接口發(fā)出的命令，如A/D轉(zhuǎn)換器的啟/停信號(hào)，設(shè)置外設(shè)的工作模式等。第六章：基本輸入輸出接口12CompanyLogo狀態(tài)信息——表征外設(shè)的工作狀態(tài)控制信息——CPU控制外

2、接口與端口

接口(Interface)—CPU與外設(shè)之間傳遞信息的控制電路，是CPU與外設(shè)之間傳送信息的一個(gè)“界面”、一個(gè)連接部件。端口（Port）—接口中可以由CPU進(jìn)行讀或?qū)懙募拇嫫?。第六章：基本輸入輸出接?3CompanyLogo2、接口與端口接口(Interfac按照存放的信息類型進(jìn)行分類，端口可以分成數(shù)據(jù)端口、狀態(tài)端口、控制端口3種：數(shù)據(jù)端口:存放外部設(shè)備傳送來的數(shù)據(jù)，供CPU讀取或存放CPU輸出的數(shù)據(jù)，并傳送給外部設(shè)備；狀態(tài)端口:用于暫存外設(shè)的狀態(tài)信息，供CPU讀取；控制端口:用于存放CPU發(fā)送給外設(shè)或接口的控制信息，控制外設(shè)或接口的工作方式。第六章：基本輸入輸出接口14CompanyLogo按照存放的信息類型進(jìn)行分類，端口可以分成數(shù)據(jù)端口、狀典型的接口電路示意圖如圖所示：

CPU就是通過訪問這些I/O端口，完成控制外部設(shè)備、了解外設(shè)的工作狀態(tài)、與外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送等操作的。第六章：基本輸入輸出接口15CompanyLogo典型的接口電路示意圖如圖所示：CPU就是通過訪問這§6.1.3I/O端口的編址方法（尋址方式）

為了區(qū)分接口電路的各個(gè)寄存器，系統(tǒng)為它們各自分配了一個(gè)地址，稱為I/O端口地址，以便對(duì)它們進(jìn)行尋址。

I/O端口有兩種編址方式：存儲(chǔ)器映像編址方式、I/O獨(dú)立編址方式。

1、和存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址（存儲(chǔ)器映象編址）方式存儲(chǔ)器和I/O端口共用統(tǒng)一的地址空間，每一個(gè)端口視為一個(gè)存儲(chǔ)單元；第六章：基本輸入輸出接口16CompanyLogo§6.1.3I/O端口的編址方法（尋址方式）訪問I/O端口同樣用MOV指令，所有訪問存儲(chǔ)器的指令（包括存儲(chǔ)器的算術(shù)、邏輯運(yùn)算指令）都可用于I/O端口，系統(tǒng)編程比較靈活；I/O占用了一部分內(nèi)存空間；指令的機(jī)器碼較長，執(zhí)行時(shí)間也長；第六章：基本輸入輸出接口17CompanyLogo訪問I/O端口同樣用MOV指令，所有訪問存儲(chǔ)器的指令（包括存采用存儲(chǔ)器與I/O接口統(tǒng)一編址的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的示意圖如右圖所示。該系統(tǒng)中存儲(chǔ)器單元和I/O接口一共有64K(地址是0000H～FFFFH)，其中地址為3000H～37FFH的部分是I/O接口，其余部分是存儲(chǔ)器單元，實(shí)際存儲(chǔ)器有62K個(gè)單元。第六章：基本輸入輸出接口18CompanyLogo采用存儲(chǔ)器與I/O接口統(tǒng)一編址的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的示

2、端口獨(dú)立編址方式存儲(chǔ)器和I/O接口各自使用不同的地址空間。8086/8088系統(tǒng)中，存儲(chǔ)器的地址范圍是FFFFFH～00000H，I/O接口的地址范圍是0000H～FFFFH；CPU利用專門的輸入/輸出指令訪問I/O接口；I/O接口不占用存儲(chǔ)器的空間；I/O端口的地址碼較短，譯碼電路比較簡單，程序比較清晰；程序設(shè)計(jì)靈活性較差，I/O指令的功能一般不如存儲(chǔ)器訪問指令豐富，程序設(shè)計(jì)靈活性較差。第六章：基本輸入輸出接口19CompanyLogo2、端口獨(dú)立編址方式存儲(chǔ)器和I/O接口各自使用不同的地址空8088/8086系統(tǒng)中存儲(chǔ)器和I/O接口之間的關(guān)系如圖所示。存儲(chǔ)器和I/O接口的地址是各自獨(dú)立的，存儲(chǔ)器的地址范圍是00000H～FFFFFH，I/O接口地址范圍是0000H～FFFFH，相互之間完全獨(dú)立。第六章：基本輸入輸出接口20CompanyLogo8088/8086系統(tǒng)中存儲(chǔ)器和I/O接口之間的關(guān)系如圖所示§6.1.48088/8086的輸入/輸出指令

在8088/8086為CPU的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，I/O接口的編址采用的是獨(dú)立編址方法，系統(tǒng)中I/O接口的地址范圍是FFFFH～0000H。

8088/8086指令系統(tǒng)中有專門訪問I/O接口的輸入/輸出指令：

1、輸入指令I(lǐng)N

（1）指令格式1：INAL，n

；指令中目的操作數(shù)必須是累加器，

n為端口號(hào)（端口地址）必須≤FFH

指令功能：把地址為n的端口的8位信息傳送給AL；

第六章：基本輸入輸出接口21CompanyLogo§6.1.48088/8086的輸入/輸出指令

例：INAL，20H

該指令把20H端口的內(nèi)容送到AL寄存器中。（2）指令格式2：INAL，DX

；

指令功能：用DX間接尋址，把DX表示端口地址的端口的8位信息傳送給AL；

DX為0000-FFFFH的值；例：MOVDX，200HINAL，DX

實(shí)現(xiàn)將200H號(hào)端口的內(nèi)容送入AL第六章：基本輸入輸出接口22CompanyLogo例：INAL，20H（2）

(3)指令格式3：INAX，n

指令功能：讀入n、n+1兩個(gè)I/O端口的內(nèi)容，分別送入AL和AH。

例：INAX，20H

；

一次讀入20H、21H兩個(gè)端口的內(nèi)容，分別送入AL和AH中

(4)指令格式4：INAX，DX

指令功能：用DX間接尋址，讀取由DX和DX+1表示端口地址的兩個(gè)端口的內(nèi)容，分別送入AL和AH中。

例：MOVDX，200HINAX，DX。用這兩條指令，輸入200H和201H號(hào)端口的內(nèi)容，分別送入AL

和AH中。第六章：基本輸入輸出接口23CompanyLogo(3)指令格式3：INAX，n(

2、輸出指令

(1)指令格式1：OUTn，AL

指令功能：把AL的信息傳送給地址為n的端口；

例：OUT20H，AL。該指令把AL寄存器的內(nèi)容送到20H端口中；第六章：基本輸入輸出接口24CompanyLogo2、輸出指令(1)指令格式1：OUT

(2)指令格式2：OUTDX，AL

指令功能：把AL中的信息傳送給由DX表示端口地址的一個(gè)端口；

例：MOVDX，200H

OUTDX，AL

利用這兩條指令，可以把AL寄存器的內(nèi)容，送入200H號(hào)端口。第六章：基本輸入輸出接口25CompanyLogo(2)指令格式2：OUTDX，AL第六章

(3)指令格式3：OUTn，AX

指令功能：該指令一次把AL和AH內(nèi)容，分別送入地址為n和n+1的兩個(gè)I/O端口中。例：OUT20H，AX

把AL和AH的內(nèi)容，分別送入20H、21H兩個(gè)端口中。第六章：基本輸入輸出接口26CompanyLogo(3)指令格式3：OUTn，AX第六章：基本輸

(4)指令格式：OUTDX，AX

指令功能：該指令一次把AL和AH中的內(nèi)容，分別送入由DX和

DX+1表示的兩個(gè)端口。

例：MOVDX，200H OUTDX，AX

利用這兩條指令，把AL和AH中的內(nèi)容,分別送入200H和201H號(hào)兩個(gè)端口。第六章：基本輸入輸出接口27CompanyLogo(4)指令格式：OUTDX，AX第六章：§6.2I/O接口的數(shù)據(jù)傳送方式

CPU與I/O接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的方式也有多種形式，常見的有：無條件傳送方式、查詢傳送方式、中斷傳送方式、DMA傳送方式。無條件傳送方式、查詢傳送方式又稱為程序控制傳送方式。第六章：基本輸入輸出接口28CompanyLogo§6.2I/O接口的數(shù)據(jù)傳送方式第六章：基本輸入輸出接§6.2.1無條件傳送方式及其接口CPU不檢查外部設(shè)備的狀態(tài)，直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的傳送方式。簡單，適用于慢速外設(shè)，CPU認(rèn)為需要時(shí)，可以隨時(shí)給這種外部設(shè)備輸出數(shù)據(jù)或從這種外部設(shè)備上輸入數(shù)據(jù)。如：LED（輸出），乒乓開關(guān)（輸入）無條件傳送方式的接口只包含數(shù)據(jù)端口，輸入端口時(shí)采用三態(tài)輸入緩沖器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)端口，輸出端口時(shí)采用鎖存器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)端口；第六章：基本輸入輸出接口29CompanyLogo§6.2.1無條件傳送方式及其接口CPU不檢查外部設(shè)備

無條件輸入／輸出傳送方式的典型接口電路：第六章：基本輸入輸出接口30CompanyLogo無條件輸入／輸出傳送方式的典型接口電路：第六章：基本【例6.1】

CPU控制LED發(fā)光二極管不同的點(diǎn)亮狀態(tài)，采用無條件傳送方式，向接口輸出數(shù)據(jù)。一個(gè)簡單的發(fā)光二極管輸出接口電路如圖所示：每位觸發(fā)器控制對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管，觸發(fā)器輸出為“1”，發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光；觸發(fā)器輸出為“0”，發(fā)光二極管就不能發(fā)光；第六章：基本輸入輸出接口31CompanyLogo【例6.1】CPU控制LED發(fā)光二極管不同的點(diǎn)亮狀態(tài)，【例6.2】

一個(gè)跳線開關(guān)輸入接口電路如圖所示。跳線開關(guān)是常用于系統(tǒng)的設(shè)置的輸入裝置，一般采用無條件傳送方式，訪問跳線開關(guān)裝置。每個(gè)三態(tài)門對(duì)應(yīng)一個(gè)開關(guān)。

如果某位跳線開關(guān)不短接（斷開），則CPU讀入該位的狀態(tài)是“1”；如果某位跳線開關(guān)短接到地線上，則CPU讀入該位的狀態(tài)是“0”。第六章：基本輸入輸出接口32CompanyLogo【例6.2】一個(gè)跳線開關(guān)輸入接口電路如圖所示。跳線開關(guān)是§6.2.2查詢傳送方式及其接口

CPU在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送之前，先檢查狀態(tài)端口，如果外部設(shè)備當(dāng)前處于“準(zhǔn)備好”的狀態(tài)，就進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送；否則，再次檢查狀態(tài)端口，直至檢測到外部設(shè)備“準(zhǔn)備好”，再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。讀狀態(tài)端口準(zhǔn)備好讀/寫數(shù)據(jù)端口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送NYCPU的工作效率非常低接口包括數(shù)據(jù)端口和狀態(tài)端口，狀態(tài)端口由三態(tài)輸入緩沖器實(shí)現(xiàn)；輸入設(shè)備時(shí)，數(shù)據(jù)端口由三態(tài)輸入緩沖器實(shí)現(xiàn)；輸出設(shè)備時(shí)，數(shù)據(jù)端口由鎖存器實(shí)現(xiàn)；第六章：基本輸入輸出接口33CompanyLogo§6.2.2查詢傳送方式及其接口CPU在查詢方式的典型輸出接口電路：

數(shù)據(jù)輸出的工作過程：

(ⅰ)8088CPU在輸出數(shù)據(jù)前，先要查詢設(shè)備的狀態(tài)，執(zhí)行讀狀態(tài)端口操作，判斷從狀態(tài)口讀入數(shù)據(jù)的D7位是1還是0，若為1表示設(shè)備忙，則等待后再查詢；若為0表示設(shè)備空閑，CPU將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)端口，同時(shí)將狀態(tài)觸發(fā)器置1。之后重復(fù)以上的操作，周而復(fù)始。第六章：基本輸入輸出接口34CompanyLogo查詢方式的典型輸出接口電路：數(shù)據(jù)輸出的工作過程：第六章：基(ⅱ)輸出設(shè)備檢測STB信號(hào):為0時(shí)則等待；為1時(shí)，則進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；待數(shù)據(jù)處理完畢后，通過ACK

端發(fā)出負(fù)脈沖將狀態(tài)觸發(fā)器清0。第六章：基本輸入輸出接口35CompanyLogo(ⅱ)輸出設(shè)備檢測STB信號(hào):第六章：基本輸入輸出接口【例6.3】

ADC0809是常用的模擬接口芯片，它把模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成

8位數(shù)字信號(hào)，供CPU讀取?！粝蚨丝赼寫入要轉(zhuǎn)換通道的地址。比如：要轉(zhuǎn)換IN2通道的內(nèi)容，就寫入02H，0809內(nèi)部將鎖存該地址；◆啟動(dòng)ADC0809轉(zhuǎn)換；◆

CPU將不斷地讀取端口b的EOC值，若該位為”0”，表示正在轉(zhuǎn)換，繼續(xù)查詢端口b的EOC值；當(dāng)該位是“1”時(shí)，表示轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成了；這時(shí)CPU可以讀取端口a，0809就可以把轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線送給CPU。接口電路的工作過程：a、b表示ADC0809的兩個(gè)端口地址36CompanyLogo【例6.3】ADC0809是常用的模擬接口芯片，它把模擬電

若端口a的地址是1000H，b端口的地址是1001H，要讀取IN2通道的內(nèi)容，送入KIN2內(nèi)存單元。以下為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換過程的程序：

MOVAL,02HMOVDX,1000HOUTDX,AL ;寫入通道的地址，并啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的過程L0:MOVDX,1001HINAL,DX ;讀取狀態(tài)端口

ANDAL,01H（TESTAL，01H）

JZL0 ;如果EOC為0，則再次查詢

MOVDX,1000HINAL，DX ;讀取轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)

MOVKIN2，AL第六章：基本輸入輸出接口37CompanyLogo若端口a的地址是1000H，b端口的地址是1001H，要讀§6.2.3中斷傳送方式及其接口

CPU在某一時(shí)刻啟動(dòng)一臺(tái)外設(shè)，然后繼續(xù)執(zhí)行其主程序，外設(shè)完成數(shù)據(jù)傳送的準(zhǔn)備后，向CPU發(fā)出“中斷請(qǐng)求”信號(hào)，在CPU允許響應(yīng)中斷的條件下，現(xiàn)行主程序被“中斷”，轉(zhuǎn)去執(zhí)行與I/O接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的“中斷服務(wù)程序”，傳送完成后再返回被中斷的主程序，從斷點(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行。第六章：基本輸入輸出接口38CompanyLogo§6.2.3中斷傳送方式及其接口CPU在

中斷方式下CPU執(zhí)行程序流程：CPU和外設(shè)大部分時(shí)間處在并行工作狀態(tài),只在CPU響應(yīng)外設(shè)的中斷申請(qǐng)后，進(jìn)入數(shù)據(jù)傳送的過程。中斷傳送方式提高了CPU的效率；雖提高了CPU的效率，但仍然是通過CPU執(zhí)行程序