微機原理 第五章 基本IO接口

第五章輸入/輸出接口

本章主要知識點：1、輸入/輸出接口作用；2、I/O接口的基本結構；3、I/O端口的編址4、輸入/輸出指令及其尋址方式5、CPU與外設之間數(shù)據(jù)傳送方式本章學習的重點：1、I/O端口的編址2、CPU與外設之間數(shù)據(jù)傳送方式5.1輸入/輸出接口概述問題的提出:輸入/輸出接口在計算機系統(tǒng)中起什么作用?微處理器8086/8088存儲器RAM存儲器ROMI/O接口外圍設備地址總線AB控制總線CB數(shù)據(jù)總線DB圖5-1微型計算機的基本組成原理結構圖輸入/輸出接口：CPU完成各種運算的原始數(shù)據(jù)如果要求由外部設備提供，CPU是如何從外部設備取回數(shù)據(jù)？如果CPU運算的結果要傳送給外部設備，CPU如何傳送？解決的方法就是在外部設備與CPU之間架設一個“橋”，這個“橋”的作用就是把外部設備的數(shù)據(jù)和運算方式與命令傳遞給中央處理器，等中央處理器完成了給定的運算后按給定的要求再把結果傳遞外部設備。計算機通過這個“橋”----輸入/輸出接口與外部實現(xiàn)信息或數(shù)據(jù)的交換。把介于主機和外設之間的電路稱為I/O接口電路，簡稱I/O接口。5.1.1I/O接口的作用主機與外界交換信息的中間電路稱為輸入/輸出(I/O)。主機與外界的信息交換是通過輸入/輸出設備進行的。比如常規(guī)的外設有鍵盤、顯示器、打印機、掃描儀、磁盤機、鼠標器等。不同外設的信號形式、數(shù)據(jù)格式、運行速度也各不相同。因此，外部設備不能與CPU直接相連，需要通過相應的電路來完成它們之間的速度匹配、信號轉換，并完成某些控制功能。I/O接口與處理器和外部設備的連接如圖5.2所示。圖5.2主機與外設的連接5.1.2CPU與外設交換的信息主機與I/O設備之間交換的信息可分為數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息三類。1．數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)信息又分為數(shù)字量、模擬量和開關量三種形式。

1)數(shù)字量數(shù)字量是計算機可以直接發(fā)送、接收和處理的數(shù)據(jù)。例如，由鍵盤、顯示器、打印機及磁盤等I/O外設與CPU交換的信息，它們是以二進制形式表示的數(shù)或以ASCII碼表示的數(shù)符。

2)模擬量當計算機應用于控制系統(tǒng)中時，輸入的信息一般為來自現(xiàn)場的連續(xù)變化的物理量，如溫度、壓力、流量、位移、濕度等，這些物理量通過傳感器并經(jīng)放大處理得到模擬電壓或電流，這些模擬量必須先經(jīng)過模擬量到數(shù)字量的轉換(A/D轉換)后才能輸入計算機。反過來，計算機輸出的控制信號都是數(shù)字量，也必須先經(jīng)過數(shù)字量到模擬量的轉換(D/A轉換)，把數(shù)字量轉換成模擬量才能去控制現(xiàn)場。

3)開關量開關量可表示兩個狀態(tài)，如開關的斷開和閉合，機器的運轉與停止，閥門的打開與關閉等。這些開關量通常要經(jīng)過相應的電平轉換才能與計算機連接。開關量只用一位二進制數(shù)即可表示,也是數(shù)字量的一種形式。

2.狀態(tài)信息狀態(tài)信息作為CPU與外設之間交換數(shù)據(jù)時的聯(lián)絡信息，反映了當前外設所處的工作狀態(tài)，是外設通過接口送往CPU的。CPU通過對外設狀態(tài)信號的讀取，可得知輸入設備的數(shù)據(jù)是否準備好、輸出設備是否空閑等情況。因此，狀態(tài)信息能夠保障CPU與外設正確地進行數(shù)據(jù)交換。

3．控制信息控制信息由CPU通過接口傳送給外設，控制信息設置外設(包括接口)的工作模式、控制外設的工作。如外設的啟動信號和停止信號就是常見的控制信息?？刂菩畔㈦S外設的具體工作原理不同而含義不同。數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息含義各不相同，但在微型計算機系統(tǒng)中，CPU通過接口和外設交換信息時，只能用輸入指令(IN)和輸出指令(OUT)傳送數(shù)據(jù)，所以狀態(tài)信息、控制信息也是被作為數(shù)據(jù)信息來傳送的，把狀態(tài)信息作為一種輸入數(shù)據(jù)，而把控制信息作為一種輸出數(shù)據(jù)。

5.1.3I/O接口的基本結構I/O接口的基本結構如圖5.3所示。每個接口電路中都包含一組寄存器，CPU與外設進行信息交換時，各類信息在接口中存入不同的寄存器，一般稱這些寄存器為I/O端口，簡稱為口(Port)。圖5.3一個典型的I/O接口用來保存CPU和外設之間傳送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)寄存器稱為數(shù)據(jù)端口；用來存放外設或者接口部件本身狀態(tài)的狀態(tài)寄存器稱為狀態(tài)端口；用來存放CPU發(fā)往外設的控制命令的控制寄存器稱為控制端口。圖5.3一個典型的I/O接口5.1.4I/O接口的種類:

1、并行接口在計算機的I/O接口中滿足多位數(shù)據(jù)同時輸入或輸出的接口稱為并行接口。常見的并行接口有8位或16位?；窘Y構如下圖。CPU并行接口電路數(shù)據(jù)線地址線控制線外部信號/輸出線典型的并行接口電路有8255、81552、串行接口計算機與外設的數(shù)據(jù)交換一位一位地順序傳送，只占用一條傳輸線，它可由兩種方式來實現(xiàn)：一種是將8位通道中的一位依靠軟件來實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)傳送(如圖中的D0-D7中的某一位,按一定的時間間隔來把數(shù)據(jù)轉變成序列脈沖的形式)；另一種是通過專用的通訊接口，將并行數(shù)據(jù)轉換為串行數(shù)據(jù)。典型的串行接口電路有8251。D0D0D1D1D6D6D7D7RDYSTB8位數(shù)據(jù)線發(fā)送方接收方并行傳送方式1100101001010110發(fā)送方接收方圖5-4串行傳送方式3、脈沖/計數(shù)器（定時器）接口實現(xiàn)對外部事件的計數(shù)或要求對時間進行精確定時----計數(shù)/定時器。計數(shù)由外部脈沖信號提供,當達到設定的計數(shù)值時,輸出一個電平信號,告知外部設備已經(jīng)計滿。定時可由計算機內部或外部提供一個標準的時鐘信號，當達到設定的定時時間后,輸出一個電平信號,告知外部設備已經(jīng)到時。典型的串行接口電路有8251。4、A/D（模/數(shù)）、D/A（數(shù)/模）轉換器在工業(yè)過程控制中，經(jīng)常要對溫度、壓力、流量、濃度及位移等物理量進行計算機控制。通常，先用傳感器測量這些物理量，得到與之相應的模擬電流或模擬電壓，再通過A/D轉換器(ADC)轉換為相應的數(shù)字信號，送入數(shù)字計算機處理。計算機處理后的結果是數(shù)字量，若用它去控制外部模擬量執(zhí)行機構，則需通過D/A轉換器(DAC)轉換為相應的模擬信號，去驅動執(zhí)行機構工作。5、專用接口：不可編程，專用于一個目的的接口電路；6、通用接口：可編程，通過編程可以實現(xiàn)多種功能和目的的接口電路；5.1.5微機外設對接口的要求：1、速度2、數(shù)據(jù)位數(shù)3、是否可編程，通用還是專用5.1.6接口需滿足的功能：1、選址功能:實現(xiàn)地址唯一性的要求；2、數(shù)據(jù)傳輸功能:實現(xiàn)CPU與接口之間的數(shù)據(jù)交換；3、傳送命令的功能:實現(xiàn)CPU與向接口發(fā)出命令和接口工作狀態(tài)傳送到CPU；5.2I/O端口的編址(重點內容)

I/O端口編址方式有兩種：I/O端口與內存單元統(tǒng)一編址和

I/O端口與內存單元獨立編址。5.2.1I/O端口與內存單元統(tǒng)一編址

I/O端口按照存儲單元的編址方法統(tǒng)一編排地址號，I/O端口地址和存儲單元地址共同構成一個統(tǒng)一的地址空間。例如，對于一個有16根地址線的微機系統(tǒng)，若采用統(tǒng)一編址方式，其地址空間的結構如圖5.5所示。圖5.5I/O端口與內存單元統(tǒng)一編址整個地址空間存儲器I/O???ú0000HXXXXHFFFFH(XXXX+1)HI/O端口

采用統(tǒng)一編址方式下，CPU對I/O端口的輸入/輸出操作如同對存儲單元的讀/寫操作一樣，所有訪問內存的指令同樣都可用于訪問I/O端口，因此無需專門的I/O指令，從而簡化了指令系統(tǒng)的設計；同時，對存儲器的各種尋址方式也同樣適用于對I/O端口的訪問，給使用者提供了很大的方便。但由于I/O端口占用了一部分存儲器地址空間，因而相對減少了內存的地址可用范圍。

在這種編址方式中，建立了兩個地址空間，一個為內存地址空間，一個為I/O地址空間。內存地址空間和I/O地址空間是相互獨立的，通過控制線M/IO來確定CPU到底要訪問內存還是I/O端口。5.2.2I/O端口與內存單元獨立編址(重點內容)

這種編址要求CPU與I/O端口之間進行數(shù)據(jù)傳輸時，使用專用的輸入指令INA，PORT和輸出指令OUTPORT，A。在8086/8088系統(tǒng)中，共有20根地址線對內存尋址，內存的地址范圍是00000H～FFFFFH；用地址總線的低16位對I/O端口尋址，所以I/O端口的地址范圍是0000H～FFFFH，如圖5.6所示。00000HFFFFFH存儲器I/OFFFFH0000H8086微機系統(tǒng)采用獨立編址方式圖5.6

I/O端口與內存單元獨立編址00000HFFFFFH存儲器I/OFFFFH0000H采用獨立編址方式下，存儲器地址與I/O可以重疊,由M/IO信號區(qū)別是訪問的那個地址。CPU在訪問內存和外設時，M/IO信號為1時，表示地址總線上的地址是一個內存地址；為0時，則表示地址總線上的地址是一個I/O端口地址。I/O地址與內存地址的區(qū)分方法（重要概念）

微機系統(tǒng)常用的I/O接口電路都被設計成通用的I/O接口芯片，都有一個片選信號線，如果片內有若干可尋址的端口，則還需有地址線用于片內端口尋址的地址線。5.2.3I/O端口的地址譯碼

I/O端口地址譯碼的常見設計方法是用74LS138譯碼器實現(xiàn)地址譯碼，將地址總線低位直接連到I/O接口芯片的相應地址引腳，實現(xiàn)片內尋址，即選中片內的端口，這樣可以使片內端口地址號連續(xù)；而將地址總線高位接譯碼器的控制端，實現(xiàn)地址的唯一性要求。

5.3CPU與外設之間數(shù)據(jù)傳送方式1.無條件傳送無條件傳送是一種最簡單的輸入/輸出控制方法，用于控制CPU與低速I/O接口之間的信息交換，例如，開關、繼電器和速度、溫度、壓力、流量等變送器(即A/D轉換器)。由于這些信號變化很緩慢，當需要采集這些數(shù)據(jù)時，外部設備已經(jīng)把數(shù)據(jù)準備就緒，無需檢查端口的狀態(tài)，就可以立即采集數(shù)據(jù)。5.3.1程序控制方式無條件傳送：輸入輸出接口編程NEXT: MOVDX,8000H ；DX指向數(shù)據(jù)端口 INAL,DX ；從輸入端口讀開關狀態(tài) NOTAL ；反相 OUTDX,AL ；送輸出端口顯示 CALLDEALY ；調子程序延時 JMPNEXT ；重復有條件傳送方式又稱