第6章 微型计算机输入输出接口技术

1、信息工程学院信息工程学院 接口接口 CPU 与外设之间的一种缓冲电 路，是CPU 与外设之间信息交 换的中转站。 6.1.1 什么是接口与接口技术什么是接口与接口技术 图6.1 微机控制各类接口框图 内存 内存接口 CPU 智能仪器接口通信接口过程控制接口输入接口输出接口外存接口 数字化存储示 波器，数字化 万用表 终端 调制解调器 电传机 A/D转换器 开关量输入 D/A转换器 开关量输出 键盘 数字化仪 光笔 图形输入 声音输入 扫描仪 点阵打印 CRT 显示 激光打印 液晶显示 喷墨打印 绘图仪 X-Y记录仪 硬盘 软盘 光盘 磁带 接口技术接口技术 采用硬件与软件相结合的方 法，研究C

2、PU 与外设之间如 何实现高效、可靠的信息交 换的一门技术。 （1）数字量）数字量 由键盘、光电输入机等输入的信息，通常 是以二进制表示的数或以 ASCII 码表示的数或 字符。 1. 数据信息（数据信息（DATA） CPU与外设交换的数据本身： CPU 外设外设 （2）模拟量模拟量 非电量信息 传感器 电量 信号 处理 U/I A/DCPU (P/T/Q) （3）开关量开关量 两个状态的量 ，可以用“0”、“1”表示， 例如电机的启与停，开关的合与开等。 例如 输入时，输入设备是否准备好？ 准备就绪信号READY 输出时，输出设备是否空闲？ 忙信号BUSY 2. 状态信息（状态信息（STAT

3、US） 例如控制I/O 设备启动或停止等。 3. 控制信息（控制信息（CONTROL） 反映外设当前工作状态的信息： CPU 外设外设 CPU控制外设工作所发送的一种信息： CPU 外设外设 1. 接口电路的组成接口电路的组成 图6.2 接口的组成 CPU I/O 设备 I/O 接口 DR SR CR AB DB CB DATA STATUS CONTROL 总线 驱动 地址 译码 控制 逻辑 DR：数据寄存器 SR：状态寄存器 CR：控制寄存器 2. I/O端口访问方法端口访问方法 端口地址与存储器地址统一编址。 译 码 器 8086CPU AB 存储器 I/O端口 IOM/ RD WR 图

4、6.3 统一编址方式硬件框图 （1）统一编址方式）统一编址方式 优点：优点：指令丰富，电路简单。 缺点：缺点：外设占用存储器空间，内存 容量减小。 图6.4 独立编址方式硬件框图 译 码 器 8086CPU AB存储器 I/O端口 IOM/ 译 码 器 存储器和外设都有自己的地址译码器， 地址空间独立，互不影响。用专用的I/O 指令 访问I/O 端口。 （1）汇编语言的）汇编语言的I/O 指令指令 输入指令： IN AL, n ; n 为8位立即地址 IN AL, DX ; 16位地址用DX间址 输出指令： OUT n, AL OUT DX, AL 例：例： IN AL, 20H MOV DX

5、, 2F0H OUT DX, AL （2）C 语言中的端口读写函数语言中的端口读写函数 Turbo C 中的 (1) unsigned inportb (int port) (2) void outportb (int port, unsigned value) # include dos.h main ( ) unsigned c; c = inportb (0 x2f0); printf (data = %0 x, c); outportb (0 x360, c); 从解决CPU 与外设在连接时存在的矛盾这 个角度看，接口应有以下功能： 设置“ 数据口”，解决CPU 高速与外设 相对低速的

6、矛盾，并为主机与外设的批量数据 传输创造条件。 1. 数据缓冲功能数据缓冲功能 设置“ 命令口”，对CPU 发出的代码形式的 控制命令识别、分析并执行。 CPU与外设之间信号在逻辑关系上的转换、数 据格式的转换（串 并）、以及时序配合、 电平匹配等。 2. 接收与执行接收与执行CPU命令的功能命令的功能 3. 信号转换功能信号转换功能 设置地址译码电路对外设寻址。 设置中断控制器，处理有关中断事务（中断请 求、中断优先权排队等）。 4. 设备选择功能设备选择功能 5. 中断管理功能中断管理功能 使用可编程芯片实现。使用户在不改动硬件的 条件下，只修改驱动程序就可改变接口的工作 方式。 6. 可

7、编程功能可编程功能 查询方式查询方式 中断方式中断方式 DMA方式方式 输入外设状态 准备好？ 数据输入/输出 No Yes 1. 查询方式查询方式 （1）查询式输入）查询式输入 图6.5 查询式输入接口电路 LOOP1:IN AL, STATUS_PORT TEST AL, 80H ; JE LOOP1 IN AL, DATA_PORT D7位表示状态信息 D71 准备好 （2）查询式输出）查询式输出 图6.6 查询式输出接口电路 LOOP2:IN AL, STATUS_PORT TEST AL, 40H ; JNE LOOP2 MOV AL, DATA OUT DATA_PORT, AL

8、假设D6为状态信息 D61 表示忙 查询方式的数据采集系统查询方式的数据采集系统 CPU 324 A/D转换 8位数据 1个模拟量 数据READY 1位状态 启动 输入数据8 位模拟量 . . 8位 数据总线 4 2 1 0 IO/M.RD.3 IO/M.RD.2 IO/M.RD.4 8个输入模拟量，经过多路开关-它由端 口4输出的3位二进制码（D2D1D0）控制 （000-相应于A0输入），每次送出一个 模拟量到A/D转换器；同时A/D转换器由端 口4输出的D4位控制启动与停止。A/D转换 器的READY信号由端口2的D0输送到CPU 数据总线，经A/D转换后的数据由端口3传 送到数据总线。

9、 START:MOV DL,0F8H LEA DI,DSTOR AGAIN:MOV AL,DL AND AL,0EFH OUT 4,AL CALL DELAY MOV AL,DL OUT 4,AL POLL:IN AL,2 SHR AL,1 JNC POLL IN AL,3 STOSB INC DL AGAIN 数据I/O CPU 执行程序 CPU 中断允许 外设准备数据 (外设准备好， 请求中断) 图6.7 中断传送方式的接口电路 DMA (Direct Memory Access) 是存储器与 外设或存储器之间进行大量数据传送的方法， 是在DMA 控制器的控制下进行的。 3. DMA方式方

10、式 DMA 请求 DMA 响应 送存储器地址 传送数据 DMA 结束 传送结束？ Yes 修改地址指针 No 图6.8 DMA 工作流程图 能向CPU 发出DMA 请求信号。 CPU 响应后，接管对总线控制，进入DMA 方式。 发出读、写控制信号。 决定数据传送的地址和数据传送的长度。 判断DMA 操作的结束，撤消总线请求信号， 使CPU 恢复正常工作。 （3）DMA 方式与中断方式的比较方式与中断方式的比较 中断方式中断方式特点特点DMA方式方式 控制控制 数据传送数据传送 CPU 状态状态 响应响应 适用性适用性 由由DMA控制器控制控制器控制 I/O 存储器存储器 不破坏不破坏CPU 内

11、内 部寄存器状态部寄存器状态 请求响应，级别请求响应，级别 高于中断高于中断 适用于高速适用于高速I/O设设 备和成组数据交换备和成组数据交换 由由CPU程序控制程序控制 I/O CPU 存储器存储器 请求响应，级别请求响应，级别 比比DMA方式低方式低 适用于慢速适用于慢速 I/O 设备，实时处理设备，实时处理 破坏破坏CPU内部寄存器状态内部寄存器状态 I/O 端口地址译码一般由地址信号和控制信号的 不同组合实现。其原则是： （2）低位地址线直接连接到 I/O 接口芯片，实现 片内寻址。 1. I/O端口地址译码电路设计原则端口地址译码电路设计原则 （1）高位地址与CPU 的控制信号组合，

12、经译 码电路产生 I/O 接口芯片的片选信号CS， 实 现片间寻址。 （1）固定式端口地址译码）固定式端口地址译码 使用门电路的译码电路使用门电路的译码电路 图6.9 2F8H读操 作端口译码 或门 图6.10 2E2H 读/写操作端口译码 使用译码器的译码电路使用译码器的译码电路 图6.11 PC/XT 系统板上的地址译码电路 A9 A8 A7 A6 A5A4 A3 A2 A1 A0 产生片选信号片内寻址 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 8259Y 1有效选中 因此8259的端口地址范围 02003FH。 （2）开关式可选端口地址译码）开关式可选端口地址译码 用比较器组成的可选式译码电路用比较器组成的可选式译码电路 图6.12 74LS688 为8位比较器。 当 P07