第6章微型計(jì)算機(jī)的輸入輸出

第6章微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出

接口基本概念輸入/輸出方式及其接口8086CPU的輸入/輸出指令(復(fù)習(xí))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、以及工作速度等方面彼此差別很大6.1接口概述3I/O接口（電路）的定義廣義來(lái)講，是指CPU與存儲(chǔ)器、外設(shè)之間通過(guò)總線進(jìn)行連接的電路部分；本章特指位于系統(tǒng)與外設(shè)間、用來(lái)協(xié)助完成數(shù)據(jù)傳送和控制任務(wù)的邏輯電路。它是CPU與外界進(jìn)行信息交換的中轉(zhuǎn)站。接口電路以輔助電路和I/O接口的形式存在。PC機(jī)系統(tǒng)板的可編程接口芯片、I/O總線槽的電路板（適配器）都是接口電路CPU接口電路I/O設(shè)備5數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB地址總線AB存儲(chǔ)器I/O接口輸入設(shè)備I/O接口輸出設(shè)備CPU微型計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖接口在系統(tǒng)中的地位什么是微機(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)注意其軟硬結(jié)合的特點(diǎn)根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的需要，使用和構(gòu)造相應(yīng)的接口電路，編制配套的接口程序，支持和連接有關(guān)的設(shè)備接口的功能基本功能：在系統(tǒng)和I/O設(shè)備之間傳輸信號(hào)提供緩沖作用

1.尋址功能區(qū)別存儲(chǔ)器和I/O信號(hào)識(shí)別片選信號(hào)選擇接口中的寄存器2.輸入輸出功能根據(jù)讀寫信號(hào)判斷傳輸方向傳輸數(shù)據(jù)、控制和狀態(tài)信息3.數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能把CPU的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一些外設(shè)所需的串行數(shù)據(jù)；把外設(shè)的串行信息轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)送往CPU。4.聯(lián)絡(luò)功能 當(dāng)從總線上接收一個(gè)數(shù)據(jù)后;

當(dāng)把一個(gè)數(shù)據(jù)送到總線上后;5.中斷管理功能發(fā)送中斷請(qǐng)求和接收中斷響應(yīng)發(fā)送中斷類型號(hào)優(yōu)先級(jí)管理功能。

6.復(fù)位功能

接收復(fù)位信號(hào)7.可編程功能可以用軟件使其工作于不同的方式用軟件來(lái)設(shè)置控制信號(hào)8.錯(cuò)誤檢測(cè)功能

傳輸錯(cuò)誤 覆蓋錯(cuò)誤

信息幀格式錯(cuò)誤I/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I/O端口1I/O端口2I/O端口4地址譯碼數(shù)據(jù)緩沖控制電路外設(shè)ABDBCBCPUI/O端口3I/O接口的典型結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)外部特性分類可編程性1.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)或接口電路的命令端口（PORT）I/O端口通常以其地址為標(biāo)識(shí)，1個(gè)端口一般對(duì)應(yīng)1個(gè)可以被用戶訪問(wèn)的寄存器數(shù)據(jù)寄存器——保存數(shù)據(jù)（芯片中可能含多個(gè)）控制寄存器——保存控制信息（芯片中可能含多個(gè)）狀態(tài)寄存器——保存狀態(tài)信息（芯片中可能含多個(gè)）1個(gè)接口電路可以具有多個(gè)I/O端口，每個(gè)端口保存不同的信息（用以與CPU或外設(shè)進(jìn)行信息交換）輸入端口和輸出端口可以使用同一個(gè)I/O地址2.接口電路的外部特性面向CPU一側(cè)的信號(hào)：用于與CPU連接主要是數(shù)據(jù)、地址和控制信號(hào)面向外設(shè)一側(cè)的信號(hào)：用于與外設(shè)連接提供的信號(hào)五花八門功能定義、時(shí)序及有效電平等差異較大3.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面向外設(shè)的專用接口芯片：針對(duì)某種外設(shè)設(shè)計(jì)、與該種外設(shè)接口面向微機(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4.接口電路的可編程性許多接口電路具有多種功能和工作方式，可以通過(guò)編程的方法選定其中一種接口需要進(jìn)行物理連接，還需要編寫接口軟件接口軟件有兩類：初始化程序段——設(shè)定芯片工作方式等數(shù)據(jù)交換程序段——管理、控制、驅(qū)動(dòng)外設(shè)，負(fù)責(zé)外設(shè)和系統(tǒng)間信息交換I/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(chǔ)地址空間如8086/8088I/O端口與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址它們共享一個(gè)地址空間如單片機(jī)I/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(duì)簡(jiǎn)單專門的I/O指令使程序清晰易讀缺點(diǎn)：I/O指令沒(méi)有存儲(chǔ)器指令豐富80x86采用I/O端口獨(dú)立編址內(nèi)存空間I/O空間FFFFF0FFFF0I/O端口與存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)器地址空間程序不易閱讀（不易分清訪存和訪問(wèn)外設(shè)）內(nèi)存部分I/O部分存儲(chǔ)空間0FFFFF28I/O端口的譯碼譯碼電路的作用譯碼電路的構(gòu)成設(shè)計(jì)譯碼電路的方法片內(nèi)譯碼和片選譯碼該電路在CPU執(zhí)行指令

MOVDX,200HINAL,DX將輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)讀入CPU內(nèi)AL中圖中譯碼電路的作用：只當(dāng)A15~A0上出現(xiàn)200H時(shí)，（即0000001000000000B）輸出0，其他輸出1。例

一個(gè)輸入設(shè)備的簡(jiǎn)單接口電路三

態(tài)緩沖器輸入設(shè)備數(shù)據(jù)

線IOR地址譯碼地址線

200H000D7~D0A15~A0與非PC總線輸入設(shè)備接口電路，即硬件上保證:只在CPU執(zhí)行從200H端口輸入數(shù)據(jù)時(shí)，

三態(tài)門處于工作狀態(tài)，使輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)送上總線側(cè)，而CPU執(zhí)行其它指令時(shí),

三態(tài)門均處于高阻狀態(tài),使輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)線與總線側(cè)斷開三

態(tài)緩沖器輸入設(shè)備數(shù)據(jù)

線IOR地址譯碼地址線

200H000D7~D0A15~A0與非PC總線MOVDX,200HINAL,DX譯碼電路的構(gòu)成74LS138譯碼器

可用門電路、譯碼器或者兩者的組合實(shí)現(xiàn)。AY0BY1CY2Y3G1Y4G2AY5G2BY6Y7門電路：

與門、非門、或門、與非門、或非門等

譯碼器：

2-4線譯碼器74LS1393-8線譯碼器74LS1384-16線譯碼器74LS154等32設(shè)計(jì)譯碼電路的方法

據(jù)端口地址確定地址信號(hào)A15~A0的取值，

用門電路、譯碼器或兩者組合實(shí)現(xiàn)滿足此取值情況的電路。33設(shè)計(jì)譯碼電路時(shí)：1.端口的選通信號(hào)通常為低電平有效2.除端口的地址信號(hào)參加譯碼外，

控制信號(hào)IOW、IOR(M/IO)譯碼電路A0A1A14A15IORIOWAEN譯碼電路示意圖34219H21AH21BH21CH21DH21EH21FH218H思考：

1.Y2~Y7譯出的端口地址各是多少？74LS1383-8譯碼器AY0BY1CY2G1Y3Y4G2AY5Y6G2BY7

0110000100&&端

口譯碼電路A0A1A2AENA3A4A5A6A7A8A9IORIOWPC總線35片內(nèi)譯碼和片選譯碼片內(nèi)譯碼:

在芯片內(nèi)部的譯碼電路

用于區(qū)分芯片內(nèi)部不同的端口片選譯碼:在芯片外部的譯碼電路

用于選擇不同的芯片或端口36片選譯碼通常譯出的是一個(gè)地址范圍并行接口8255ACS外設(shè)數(shù)

據(jù)

線A0A1RDWRPC總線IORA0A1IOWA2A3A4A5A6A7A8A9AEN片選譯碼片內(nèi)譯碼端口A端口B端口C端口D串行接口8251數(shù)/模轉(zhuǎn)換0832模/數(shù)轉(zhuǎn)換0809218~21FH220~227H228~22FH230~237H37200~207h208~20Fh210~217h218~21Fh220~227h228~22Fh230~237h238~23Fh74LS1383-8譯碼器AY0BY1CY2G1Y3Y4G2AY5Y6G2BY7

00010&A3A4A5+5VA6A7A8A9AENIORIOWPC總線&端口譯碼電路38PC總線通常將低位地址線（1位或幾位）直接連在芯片上，用于片內(nèi)譯碼，而其余的高位地址線用于片選譯碼。并行接口8255ACS外設(shè)數(shù)

據(jù)

線A0A1RDWRIORA0A1IOWA2A3A4A5A6A7A8A9AEN片選譯碼片內(nèi)譯碼端口A端口B端口C端口D串行接口8251數(shù)/模轉(zhuǎn)換0832模/數(shù)轉(zhuǎn)換080939例

分析下圖74LS138各輸出端的譯碼地址

(片選譯碼例)

74LS1383-8譯碼器218HAY0BY1CY2G1Y3Y4G2AY5Y6G2BY700010&A3A4A5+5VA6A7A8A9AENIORIOWPC總線&端口譯碼電路40結(jié)論：程序控制下的數(shù)據(jù)傳送——通過(guò)CPU執(zhí)行程序中的I/O指令來(lái)完成傳送，又分為：無(wú)條件傳送（同步）查詢傳送（異步）中斷傳送直接存儲(chǔ)器存?。―MA）——傳送請(qǐng)求由外設(shè)向DMA控制器（DMAC）提出，后者向CPU申請(qǐng)總線，最后DMAC利用系統(tǒng)總線來(lái)完成外設(shè)和存儲(chǔ)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(lái)管理外設(shè)，完成傳送和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理6.2輸入輸出方式1、無(wú)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(wú)條件傳送，或稱立即傳送、同步傳送適合于簡(jiǎn)單設(shè)備，如LED數(shù)碼管、按鍵/按紐等無(wú)條件傳送的接口和操作均十分簡(jiǎn)單這種傳送有前提：外設(shè)必須隨時(shí)處于就緒狀態(tài)無(wú)條件傳送流程無(wú)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,DX無(wú)條件傳送：輸入實(shí)例MOVDX,160HINAL,DX74LS244+5V10Kx8G1G2數(shù)據(jù)總線CSRD無(wú)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,AL無(wú)條件傳送：輸出實(shí)例MOVDX,160HMOVAL,[BX]OUTDX,AL+5V74LS373300

x8LEOE數(shù)據(jù)總線CSWR無(wú)條件傳送：輸入輸出接口K7K1K0+5VD0～D7A0～A15CLKLS06反相驅(qū)動(dòng)器LS2738D鎖存器LS244三態(tài)緩沖器8000H譯碼+5VLED0LED7……-G-IOW-IOR無(wú)條件傳送：輸入輸出接口next: movdx,8000h ;DX指向數(shù)據(jù)端口

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)2、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(duì)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“就緒（Ready）”的含義在輸入場(chǎng)合：“就緒”說(shuō)明輸入接口已準(zhǔn)備好送往CPU的數(shù)據(jù)，正等著CPU來(lái)讀取該狀態(tài)也可用接口中數(shù)據(jù)緩沖器已“滿”來(lái)描述在輸出場(chǎng)合：“就緒”說(shuō)明輸出接口已做好準(zhǔn)備，等待接收CPU要輸出的數(shù)據(jù)該狀態(tài)也可用接口數(shù)據(jù)緩沖器已“空”、或者用接口（外設(shè)）“閑”或“不忙”來(lái)描述“就緒”——滿、空、閑、不忙查詢傳送的兩個(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(guò)輸入指令從數(shù)據(jù)口讀入數(shù)據(jù)是輸出，通過(guò)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查詢傳送流程查詢輸入接口-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-STBRQD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(cè)試標(biāo)志位D0 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)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(cè)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6.3.3查詢方式的EEPROM編程2817AA0～A10A0～A108000HI/O0～I(xiàn)/O7D0~D7D0譯碼A11～A19譯碼A0～A15RDY/BUSYIORWERDMEMWMEMRCEnext: moval,55h ;寫入內(nèi)容＝55H mov[bx],al ;寫入存儲(chǔ)單元

nop ;空操作指令，起延時(shí)作用

nopnext1:

inal,dx

;查詢狀態(tài)口

testal,01h

;測(cè)試D0 jznext1 ;D0＝0，芯片還在寫入

incbx ;D0＝1，寫畢，指針移動(dòng)

loopnext ;循環(huán)至全部字節(jié)寫完中斷服務(wù)程序發(fā)申請(qǐng)中斷服務(wù)程序發(fā)申請(qǐng)中斷方式下CPU執(zhí)行程序流程外設(shè)外設(shè)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，CPU執(zhí)行程序，CPU與外設(shè)并行工作；

一旦外設(shè)準(zhǔn)備就緒，外設(shè)向CPU發(fā)中斷申請(qǐng)，CPU暫停原程序執(zhí)行，響應(yīng)中斷，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。此時(shí)，CPU與外設(shè)是串行工作。3、中斷傳送方式中斷服務(wù)程序

入口為什么要用中斷？克服了查詢方式對(duì)CPU資源的浪費(fèi)解決了快速CPU與慢速外設(shè)速度上的矛盾，相當(dāng)于CPU和外設(shè)可以并行工作。特別是在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，CPU可以快速實(shí)時(shí)的響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的任何請(qǐng)求，進(jìn)行處理。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進(jìn)行傳送的中斷服務(wù)程序是預(yù)先設(shè)計(jì)好的中斷請(qǐng)求是外設(shè)隨機(jī)向CPU提出的CPU對(duì)請(qǐng)求的檢測(cè)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(qǐng)求輸入引腳中斷有著非常廣泛的應(yīng)用，主要論述中斷在輸入和輸出方面的應(yīng)用中斷傳送流程三態(tài)緩沖器中斷傳送與接口（續(xù)）D0～D7+5V8D鎖存器8位三態(tài)緩沖器RQ

譯碼8001H中斷向量號(hào)D0～D7INTRD輸入設(shè)備中斷允許觸發(fā)器A0～A15中斷請(qǐng)求觸發(fā)器-IOR-INTA-STB中斷工作過(guò)程中斷請(qǐng)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(shí)別（硬件/軟件）現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)（用戶）中斷服務(wù)（用戶）恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)（用戶）開中斷（CPU/用戶）中斷返回（用戶）中斷識(shí)別和中斷優(yōu)先權(quán)處理問(wèn)題1：系統(tǒng)有多個(gè)中斷請(qǐng)求，CPU如何識(shí)別中斷源？辦法1： 向量中斷（硬件）辦法2： 中斷查詢（軟/硬件結(jié)合）中斷源的識(shí)別中斷查詢接口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中斷優(yōu)先權(quán)問(wèn)題2：有多個(gè)中斷同時(shí)請(qǐng)求，CPU如何應(yīng)對(duì)？辦法1：鏈?zhǔn)絻?yōu)先權(quán)排隊(duì)電路辦法2：優(yōu)先權(quán)編碼電路中斷優(yōu)先級(jí)排隊(duì)問(wèn)題3：中斷處理過(guò)程中，又有中斷提出請(qǐng)求，怎么辦？中斷嵌套鏈?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(jí)中斷優(yōu)先權(quán)編碼電路比較器失效信號(hào)（先前無(wú)中斷請(qǐng)求時(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(qǐng)求0中斷請(qǐng)求1中斷請(qǐng)求2A0A1A2INTRB0B1B2…有中斷請(qǐng)求4、DMA傳送方式希望克服程序控制傳送的不足： 外設(shè)→CPU→存儲(chǔ)器 外設(shè)←CPU←存儲(chǔ)器直接存儲(chǔ)器存取DMA：不經(jīng)CPU，不用指令外設(shè)→存儲(chǔ)器（DMA寫）外設(shè)←存儲(chǔ)器（DMA讀）擴(kuò)展：外設(shè)?外設(shè)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71DMA

傳送方式過(guò)程CPUDMAC內(nèi)存外設(shè)總線響應(yīng)總線請(qǐng)求DMA請(qǐng)求DMA確