基本IO接口简介.ppt

第6章 基本I/O接口,6.1 外设接口的基本模型 6.2 程序控制I/O方式 6.3 中断方式 6.4 直接存贮器存取(DMA)方式,6.1 外设接口的基本模型,1. 应答联络 大多数外设与计算机进行信息交换时都需要事先进行联络，只有双方建立好联络关系(即握手成功)之后，双方才能进行信息交换。例如，欲将计算机内部的数据输出给外设，常规的工作过程为：首先由CPU读外设与系统连接的状态端口，获得外设的工作状态，CPU根外设状态决定输出数据的时刻。,图6.1 外设接口基本模型,2. 端口地址 当计算机系统中有多个外设时，CPU在某个时刻只能与一个外设打交道。为了确定此刻哪一个外设可以与计算机打交道，采取与内存同样的处理方法，利用二进制编码为外设编号，该编号被称为外设地址(又称I/O地址)，也即通过外设地址来识别不同的外设。,3. 输入输出方法 外设与计算机间的信息交换可以用不同的输入输出方法完成。基本的输入输出方法有：程序控制I/O方式(无条件传送方式与查询方式)、中断方式、直接存贮器存取(DMA)方式。,6.2 程序控制I/O方式,6.2.1 无条件传送方式 所谓无条件传送方式是指可以在需要的时刻让CPU直接与外设进行输入输出操作，也即CPU仅需要通过I/O指令即可由接口获取外设数据或为外设提供数据。这种方式的实现很简单，硬件上只需要提供CPU与外设连接的数据端口，而软件上则只提供相应的输入或输出指令即可。,1.输入接口设计 对于简单的输入设备，在硬件上只需要设计一个数据输入接口即可以将该外设与CPU连接起来。实现数据输入接口的器件可选用三态门，如74LS244。,图6.2 开关K与微机系统连接的接口电路,如果希望完成如下任务：当开关接通时，CPU执行程序段ON；当开关断开时，CPU执行程序段OFF。下述指令的执行可以完成该任务： MOV DX, 0FFF7H IN AL,DX AND AL,01H JZON ；假定程序段ON与本程序段在同一内存段中 JMP OFF,图6.3 三态门作为数据输入接口的一般连接模式,2. 输出接口设计 作为无条件传送方式实现数据输出的例子，下面给出CPU对发光二极管的控制。图6.4为发光二极管与微机系统连接的接口电路。锁存器作为发光二极管与微机系统数据总线连接的中间接口，接收来自CPU的输出数据。当锁存器的CP端出现上升沿信号时，数据总线上的数据被锁存于锁存器内部并输出。,图6.4 发光二极管与微机系统连接的接口电路,反相器对锁存器起保护作用，当发光二极管发亮时，反相器提供足够大的吸入电流，以保护锁存器不受损坏。对于图中电路，CPU执行下述指令可以使两个发光二极管发亮： MOV DX，0000H MOV AL，81H OUT DX，AL 而CPU执行下述指令可以使两个发光二极管不发亮： MOV DX，0000H MOV AL，00H OUT DX，AL,图6.5 锁存器作为数据输出接口的一般连接模式,6.2.2 查询方式 1. 查询方式的实现 当外设已处于准备好数据的状： 在中断处理程序中要有开中断指令。 要设置足够大的堆栈。 要正确地操作堆栈。,图6.6 典型的查询方式工程流程,图6.7 查询方式实现I/O传送示例 (a)外设与微机接口电路； (b)外设工作时序,DAOUT: MOV AX, 0D200H MOV DS,AX MOV BX，0 ；初始化内存首地址 MOV CX，1000 ；初始化计数器 MOV DX，02F9H MOV AL，01H OUTDX，AL ；初始化选通信号,NEXT: MOV DX，02FAH WAT：IN AL，DX AND AL,80H JNZ WAT ;状态查询环 MOV DX，02F8H MOV AL， OUT DX，AL ；数据输出 MOV DX，02F9H MOV AL，00H OUT DX，AL,图6.8 几种轮询控制流程,CALL DLY100s ;DLY100s为100s的延迟子程序 MOV AL，01H OUT DX，AL ；产生选通信号 INC BX ；修改内存指针 LOOP NEXT ；输出次数的循环控制 RET,2. 多外设的查询控制 在微机系统中，希望以查询方式与微机进行信息交换的外设可能有多个。查询方式是一种同步机制，它以轮询的方式依次对各个外设进行服务。轮询的顺序确定了外设的优先级，而轮询的顺序又是根据外设的重要性确定。通常是相对重要的和速度快的外设先被查询、服务，而相对不重要的和速度慢的外设后被查询、服务。,6.3 I/O接口地址译码方法,1. 地址译码电路 地址译码是接口的基本功能之一。CPU在执行输入输出指令时，向地址总线发送16位外部设备的端口地址。在接收到与本接口相关的地址后，译码电路应能产生相应的选通信号，使相关端口的寄存器/缓冲器进行数据、命令或状态的传输，完成一次IO操作。由于一个接口上的几个端口地址通常是连续排列的，可以把16位地址码分解为二个部分：高位地址码用作对接口的选择，低位地址码用来选择接口内不同的端口。为了简化电路，IBM-PC微型计算机使用A0A9作为外部设备端口的地址。,设定端口地址时，注意不能和已有设备的端口地址重复。为了避免重复的发生，许多接口电路允许用“跳线器（JUMPER）”改变端口地址。图6-3-1（b）给出了一个“跳线器”的例子。异或门（半加器）的一个输入引脚来自跳线器的中间引脚，它可以由使用者选择连接“1”（+5V）或“0”（接地），另一个引脚分别连接A8和A9。将异或门的输出代替图6-3-1（a）中的A8，A9引脚连接到U2。二个跳线引脚均接地时，上面译码电路仍然产生330H333H的端口译码信号，而当二个跳线引脚均接“1”时，则上面译码电路会产生030H033H的端口译码信号。同理还可以产生130H133H，230H233H的译码信号。,图6-3-1,由于读、写操作不会同时进行，一个输入端口和另一个输出端口可以使用同一个地址编码。例如，可安排数据输入端口、数据输出端口使用同一个地址330H，命令端口和状态端口共同使用地址331H，则图6-3-1（a）中右端的信号组合电路可作如图6-3-2的修改。 图中，Y0，Y1是译码器输出的二个地址选择信号。需要注意的是，数据输入端口和数据输出端口虽然使用相同的地址，但却是二个各自独立的不同的端口。 外部接口的端口地址还可以由指令来设置。图3-3中U1是一个称为“配置寄存器”的8位锁存器。在对接口初始化时，将选定的该接口内各端口地址的高七位通过数据总线D6D0送入该锁存器。锁存器的输出送往8位“比较器”74LS688的Q输入端，比较器的P输入端连接地址总线的A3A9。CPU在执行IO指令时，如果由A9A3发来的地址与“配置寄存器”,图6-3-2,图6-3-3,6.4 可编程并行接口电路Intel 8255A,并行接口电路，在早期的微机中与串行口、软盘接口、硬盘接口等都放在一块多功能接口卡上，插在微机的扩展槽上使用。现在这部分电路已在微机的主板上由与CPU配套的芯片组北桥来实现其功能。如果要在其他的场合实现并行数据传送，在电路设计时采用专用的接口芯片最为方便。可编程的接口芯片8255A是完成并行通信的集成电路芯片。,6.4.1 8255A的主要性能和内部结构 8255A是为Intel公司的80系列微机配套的通用可编程并行接口芯片，具有三个可编程的端口(A端口、B端口和C端口)，每个端口8条线，共有24条I/O引脚，也可分为2组工作，每组12条线，并有三种工作方式。 可编程是指可通过软件设置芯片的工作方式，因此这个芯片在与外部设备相连接时，通常不需要附加太多的外部逻辑电路，这给用户的使用带来很大方便。,芯片的主要技术性能如下： (1) 输入、输出电平与TTL电平完全兼容。 (2) 时序特性好。 (3) 部分位可以直接置“1”/置“0”，便于实现控制接口使用。 (4) 单一的+5 V电源。 8255A的内部结构框图如图10.7(a)所示，图10.7(b)为8255A的外引脚图。从图中可以看到，8255A主要由4部分组成。,图6.1 8255内部结构和引脚图 (a) 8255A内部结构；(b) 8255A外引脚图,1. 三个独立的数据口 8255A的三个数据口分别是A端口、B端口、C端口，它们彼此独立，都是8位的数据口，用来完成和外设之间的信息交换。三个口在使用上有所不同。 1) A端口 A端口对应一个8位的数据输入锁存器和一个8位的数据输出锁存器和缓冲器。因此A端口适合用在双向的数据传输场合，用A端口传送数据，不管是输入还是输出，都可以锁存。,2) B端口和C端口 这两个口分别是由一个8位的数据输入缓冲器和一个8位的数据输出锁存器和缓冲器组成。因此用B端口和C端口传送数据作输出端口时，数据信息可以实现锁存功能；而用作输入口时，则不能对数据实现锁存，这一点在使用中要注意。在实际应用中，A端口和B端口通常作为独立的输入口和输出口，而C端口常用来配合A端口和B端口的工作使用。C端口分成两个4位的端口，这两个4位的端口分别作为A端口和B端口的控制信号和输入状态信号使用。,2. A组控制电路和B组控制电路 控制电路分成A组控制和B组控制两组，A组控制电路控制A端口和C端口的高4位(PC4PC7)。B组控制电路控制B端口和C端口的低4位(PC0PC3)。这两组控制电路的作用是：由它们内部的控制寄存器接收CPU输出的方式控制命令字，还接收来自读/写控制逻辑电路的读/写命令，根据控制命令决定A组和B组的工作方式和读/写操作。,表6-1 8255A的控制信号与执行的操作之间的对应关系,4. 数据总线缓冲器 这是一个双向、三态的8位数据总线缓冲器，是8255A和系统总线相连接的通道，用来传送输入/输出的数据、CPU发出的控制字以及外设的状态信息。总之，8255A与CPU之间的所有信息传输都要经过数据总线缓冲器。,6.4.2 8255A的外部特性 8255A是40条引脚的双列直插式芯片，引脚排列如图10.7(b)所示。单一的+5 V电源，使用时要注意它的+5V电源引脚是第26脚，地线引脚是第7脚，它不像大多数TTL芯片电源和地线在右上角和左下角的位置，除了电源和地线之外，其他引脚的信号按连接的功能可分为两大组。,A1、A0(8，9PIN)：端口译码信号。用来选择8255A内部的三个数据端口和一个控制端口的地址。其中对控制口只能进行写操作。 (1) 当A1A0=00时，选中A端口。 (2) 当A1A0=01时，选中B端口。 (3) 当A1A0=10时，选中C端口。 (4) 当A1A0=11时，选中控制端口。 A1、A0与读、写信号组合对各端口所执行的操作如表10-1所示。 D7D0(2734PIN)：双向三态8位数据线，与系统的数据总线相连接。,8255A的数据线为8条，这样8位的接口芯片在与8086外部数据线为16条的CPU相连接时，应考虑接口芯片本身对地址的要求。由于在8086这样的16位外部总线系统中，CPU在进行数据传输时，低8位对应一个偶地址，高8位对应一个奇地址。如果将8255A的数据线D7D0与8086CPU的数据总线的低8位相连的话，从CPU这边看来，要求8255A的4个端口地址都应为偶地址，这样才能保证对8255A的端口的读/写能在一个总线周期内完成，但又要满足8255A本身对4个端口规定的地址要求是00，01，10，11。因此将8255A的A1和A0分别与8086系统总线的A2和A1相连，而将最低位A0总设置为0。,2. 和外设端相连的引脚 PA7PA0(3740 PIN，l4PIN)：A端口的输入/输出引脚 PB7PB0(2518 PIN)：B端口的输入/输出引脚 PC7PC0(1013，1714 PIN)：C端口的输入/输出引脚,6.4.3 8255A的控制字和编程 由CPU执行输出指令，向8255A的端口输出不同的控制字来决定它的工作方式。控制字分为两种，分别称为方式选择控制字和端口C置1/置0控制字。根据控制寄存器的D7位的状态决定是哪一种控制字。 1. 方式选择控制字 方式选择控制字用来决定8255A三个数据端口各自的工作方式，它的格式如图10.8所示。它由一个8位的寄存器组成。,图6.2 8255A的方式选择控制字,D7位为“1”时，为方式选择控制字的标识位。 D6、D5位决定A端口的工作方式，D6D5位为00、01、1x时分别表示A端口工作在方式0、方式1和方式2下。 D4位决定A端口工作在输入还是输出方式。D4位为0时，A端口工作在输出方式；D4位为1时，A端口工作在输入方式。 D3位决定用于A端口的C端口高4位PC7PC4是作为输入端口，还是作为输出端口。D3位为0时，PC7PC4作输出；D3位为1时，PC7PC4作输入。 D2位用来选择B端口的工作方式。D2位为0时，B端口工作在方式0，D2位为1时，B端口工作在方式1。,D1位决定B端口作为输入还是输出端口。D1位为1时B端口工作在输入方式；D1位为0时B端口工作在输出方式。 D0位决定用于B端口的C端口低4位PC3PC0作为输入，还是输出。D0位为0时，PC3PC0作输出；D0位为1时，PC3PC0作输入。 如果要求8255A的A端口作输入，B端口和C端口作输出，A组工作在方式0，B组工作在方式1，用三条指令可完成对芯片工作方式的选择。,MOV AL，94H ；方式选择控制字送AL MOV DX，PortCtr ；控制端口地址PortCtr送DX OUT DX，AL ；方式选择控制字输出给8255A的控制端 口，完成方式选择,2. C端口置1/置0控制字 8255A在和CPU传输数据的过程中，经常将C端口的某几位作为控制位或状态位来使用，从而配合A端口或B端口的工作。为了方便用户，在8255A芯片初始化时，C端口置1/置0控制字可以单独设置C端口的某一位为0或某一位为1。控制字的D7位为“0”时，是C端口置1/置0控制字中的标识位，具体的格式如图10.9所示。,图6.3 8255A的C端口置1/置0控制字,D6D4位可为任意值，不影响操作。D3D1位用来决定对C端口8位中的哪一位进行操作。D0位用来决定对D3D1所选择的位是置1，还是置0。 例如，要将C端口的PC3置0，PC7置1，可用下列程序段实现。 MOV AL，06H ；PC3置0控制字送AL MOV DX，PortAdd ；控制端口地址PortAdd送DX OUT DX，AL ；对PC3完成置0操作 MOV AL，0FH ；PC7置1控制字送AC OUT DX，AL ；完成对PC7置1操作,6.4.4 8255A的工作方式 8255A有三种工作方式，分别称为方式0，方式1和方式2。其中A端口可以工作在三种方式中的任一种；B端口只能工作在方式0和方式1；C端口通常作为控制信号使用，配合A端口和B端口的工作。每种工作方式的具体内容如下所述。,1. 方式0：基本的输入/输出方式 方式0之所以被称为基本的输入/输出方式，是因为在这种方式下，A端口、B端口和C端口(C端口分为2个4位使用)都可提供简单的输入和输出操作，对每个端口不需要固定的应答式联络信号。工作在方式0时，在程序中可直接使用输入指令(IN)和输出(OUT)指令对各端口进行读写。方式0的基本定义是2个8位的端口和2个4位的端口。任何一个端口都可以作为输入或输出，输出的数据可以被锁存，输入的数据不能锁存。 方式0的输入时序如图10.10所示，输出时序如图10.11所示。从输入时序图可以看到，对各信号的要求是：,图6.4 8255A方式0输入时序,图6.5 8255A方式0输出时序,表6-2 8255方式0输入时序各参数说明,从输出时序图可以看到，为了将数据能可靠地输出到8255A，对各信号的要求是： (1) 地址信号必须在写信号之前有效，同时要求在信号有效(也就是为低电平时)期间内，地址信号不能发生变化，要保证一直有效，直到在撤消(变高后)后的20 ns时间以后，地址信号才允许发生变化。 (2) 写脉冲 (为低电平时间)的宽度最小要求是400 ns。 (3) 要求数据也必须在写信号之前最少有100 ns时间出现在数据总线上。写信号撤消后，数据的最小保持时间是30 ns。,表6-3 8255A方式0输出时序各参数说明,满足上述条件，写信号结束后，最长经过350 ns的时间，CPU输出的数据就可以出现在8255A的指定端口。 方式0一般用于无条件传送的场合，不需要应答式联络信号，外设总是处于准备好的状态。也可以用作查询式传送，查询式传送时，需要有应答信号。可以将A端口、B端口作为数据口使用。把C端口分为2部分，其中4位规定为输出，用来输出一些控制信息，另外4位规定为输入，用来读入外设的状态。利用C端口配合A端口和B端口完成查询式的I/O操作。,2. 方式1：选通输入/输出方式 在这种方式下，当A端口和B端口进行输入输出时，必须利用C端口提供的选通和应答信号，而且这些信号与C端口中的某些位之间有着固定的对应关系，这种关系是硬件本身决定的不是软件可以改变的。由于工作在方式l时，要由C端口中的固定位来作为选通和应答等控制信号，因此称方式1为选通的输入/输出方式。方式1的基本定义是，分成2组(A组和B组)，每组包含一个8位的数据端口和1个4位的控制/数据端口。8位的数据端口既可以作为输入，也可以作为输出，输入和输出都可以被锁存。4位的控制/数据端口用于传送8位数据端口的控制和状态信息。,图6.6 方式1选通输入下对应的控制信号 (a) 对A端口；(b) 对B端口,图6.7 8255A方式l输入时序,表6-4 8255A方式1输入时序参数说明,当8255A的A端口和B端口工作在选通输入方式时，对应的C端口固定分配，规定是PC3PC5分配给A端口，PC0PC2分配给B端口，C端口剩下的2位PC7、PC6可作为简单的输入/输出线使用。控制字的D3位为“1”时，PC7、PC6作输入；控制字的D3位为“0”时，PC7、PC6作输出。,INTE(Interrupt Enable)：中断允许信号，高电平有效。该信号为高时，允许中断请求，为低时则屏蔽中断请求。INTE的状态是用软件通过由C端口置1/置0控制字来控制的，在A组中，使PC4置“1”后INTEA变高；在B组中，使PC2置“1”后INTEB变高，A端口和B端口才允许中断。如果PC4和PC2都置“0”，与之对应的INTE信号为低，则禁止中断。 对于这种选通的输入方式，如果采用查询式输入时，CPU先查询8255A的输入缓冲器是否满了，也就是IBF是否为高? 如果输入缓冲器满信号IBF为高，则CPU就可以从8255A读入数据。如果采用中断方式传送数据时，应该先用C端口置1/置0的控制字使相应的端口允许中断，也就是要使PC4或PC2置1。,2) 选通的输出方式 方式1在选通输出情况下对应的控制信号如图10.14所示，图10.15是方式1选通输出情况下的工作时序图。这种方式的工作过程与选通输入的情况相类似。,图6.8 方式l输出时C端口对A、B端口的控制 (a) 对A端口；(b) 对B端口,图6.9 8255A方式1输出时序,当8255A的A端口和B端口工作在选通输出方式时，对应的C端口也是固定分配，规定是PC3、PC6、PC7分配给A端口；PC2、PC1、PC0分配给B端口，剩下的2位PC4、PC5可作为简单的输入/输出线使用。当控制字的D3位为“1”时，PC4、PC5作输入；当控制字的D3位为“0”时，PC4、PC5作输出。,表6-5 8255A方式1输出时序参数说明,INTE：中断允许信号，高电平有效。当该信号为“1”时，允许中断，为“0”时，A端口(B端口)处于中断屏蔽状态，即不发出中断请求信号INTR。在使用时，中断允许信号INTE是用软件通过对C端口置1/置0的控制字来设置的。当PC6置1时，A端口允许中断；PC2置1，B端口允许中断。反之，如果A、B端口所对应的PC6、PC2置0时，则处于中断屏蔽状态，即不允许中断。,3. 方式2：带选通的双向传输方式 在双向的传输方式中，8255A可以向外设发送数据，同时CPU通过这8位数据线又接收外设的数据，因此称为双向的传输方式。方式2的基本定义是，只能适用于A端口，一个8位的双向端口(A端口)和1个5位的控制端口(C端口)。A端口的输入和输出都可以被锁存。5位的控制端口用于传送8位双向端口的控制和状态信息。当A端口工作在方式2时，由PA7PA0作为8位数据线，因为要由C端口对A端口进行控制，所以称为带选通的双向传输方式。C端口对A端口的控制信号分别如图10.16和图10.17所示。在这种方式下，C端口中有5位PC7PC3作为控制信号和状态信息使用，剩下的3位PC2PC0可作为简单的