微机技术第06章

1、第第6 6章章 基本输入输出接口基本输入输出接口教学重点n I/O接口电路的典型结构接口电路的典型结构n 无条件传送方式无条件传送方式n 查询传送方式查询传送方式n 中断工作过程中断工作过程6.1 I/O接口概述为什么需要为什么需要I/O接口（电路）？接口（电路）？n微机的外部设备多种多样微机的外部设备多种多样n工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差别很大工作速度方面彼此差别很大n它们不能与它们不能与CPU直接相连直接相连n必须经过中间电路再与系统相连必须经过中间电路再与系统相连n这部分电路被称为这部分电路被称为I/O接口电路接口电路多种外设多种

2、外设6.1 I/O接口概述（续1）什么是什么是I/O接口（电路）？接口（电路）？nI/O接口是位于系统与外设间、用来协助接口是位于系统与外设间、用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路完成数据传送和控制任务的逻辑电路nPC机系统板的可编程接口芯片、机系统板的可编程接口芯片、I/O总总线槽的电路板（适配器）都是接口电路线槽的电路板（适配器）都是接口电路6.1 I/O接口概述（续2）什么是微机接口技术？什么是微机接口技术？n处理微机系统与外设间联系的技术处理微机系统与外设间联系的技术n注意其软硬结合的特点注意其软硬结合的特点n根据应用系统的需要，使用和构造相应根据应用系统的需要，使用和构造相应的接

3、口电路，编制配套的接口程序，支的接口电路，编制配套的接口程序，支持和连接有关的设备持和连接有关的设备6.1.1 I/O接口的主要功能 对输入输出数据进行缓冲和锁存对输入输出数据进行缓冲和锁存输出接口有锁存环节，输入接口有缓冲环节输出接口有锁存环节，输入接口有缓冲环节实际的电路常用：实际的电路常用：输出锁存缓冲环节，输入锁存缓冲环节输出锁存缓冲环节，输入锁存缓冲环节 对信号的形式和数据的格式进行变换对信号的形式和数据的格式进行变换微机直接处理：微机直接处理：数字量数字量、开关量开关量、脉冲量脉冲量 对对I/O端口进行寻址端口进行寻址 与与CPU和和I/O设备进行联络设备进行联络6.1.2 I/O

4、接口的典型结构控制总线控制总线CB地址总线地址总线ABI/O接口电路接口电路数据数据控制控制状态状态数据总线数据总线DBCPU外设外设控制寄存器控制寄存器状态寄存器状态寄存器数据寄存器数据寄存器1. 接口电路的内部结构接口电路的内部结构2. 接口电路的外部特性接口电路的外部特性3. 接口电路芯片的分类接口电路芯片的分类4. 接口电路的可编程性接口电路的可编程性1. 接口电路的内部结构nCPU与外设主要有数据、状态和控制信息与外设主要有数据、状态和控制信息需要相互交换，于是从应用角度看内部：需要相互交换，于是从应用角度看内部： 数据寄存器数据寄存器n保存外设给保存外设给CPU和和CPU发往外设的

5、数据发往外设的数据 状态寄存器状态寄存器n保存外设或接口电路的状态保存外设或接口电路的状态 控制寄存器控制寄存器n保存保存CPU给外设或接口电路的命令给外设或接口电路的命令2. 接口电路的外部特性n主要体现在引脚上，分成两侧信号主要体现在引脚上，分成两侧信号面向面向CPU一侧的信号：一侧的信号：n用于与用于与CPU连接连接n主要是数据、地址和控制信号主要是数据、地址和控制信号面向外设一侧的信号：面向外设一侧的信号：n用于与外设连接用于与外设连接n提供的信号五花八门提供的信号五花八门n功能定义、时序及有效电平等差异较大功能定义、时序及有效电平等差异较大3. 接口电路芯片的分类n接口电路核心部分往

6、往是一块或数块大接口电路核心部分往往是一块或数块大规模集成电路芯片（接口芯片）：规模集成电路芯片（接口芯片）：n通用接口芯片通用接口芯片n支持通用的数据输入输出和控制的接口芯片支持通用的数据输入输出和控制的接口芯片n面向外设的专用接口芯片面向外设的专用接口芯片n针对某种外设设计、与该种外设接口针对某种外设设计、与该种外设接口n 面向微机系统的专用接口芯片面向微机系统的专用接口芯片n与与CPU和系统配套使用，以增强其总体功能和系统配套使用，以增强其总体功能4. 接口电路的可编程性n许多接口电路具有多种功能和工作方式，许多接口电路具有多种功能和工作方式，可以通过编程的方法选定其中一种可以通过编程的

7、方法选定其中一种n接口需要进行物理连接，还需要编写接接口需要进行物理连接，还需要编写接口软件口软件n接口软件有两类：接口软件有两类：n初始化程序段初始化程序段设定芯片工作方式等设定芯片工作方式等n数据交换程序段数据交换程序段管理、控制、驱动外设，管理、控制、驱动外设，负责外设和系统间信息交换负责外设和系统间信息交换6.1.3 I/O端口的编址接口电路占用的接口电路占用的I/O端口有两类编排形式端口有两类编排形式nI/O端口单独编址端口单独编址nI/O地址空间独立于存储地址空间地址空间独立于存储地址空间n如如8086/8088nI/O端口与存储器统一编址端口与存储器统一编址n它们共享一个地址空间

8、它们共享一个地址空间n如如M6800理解端口I/O端口单独编址n优点：优点：nI/O端口的地址空间独立端口的地址空间独立n控制和地址译码电路相对简单控制和地址译码电路相对简单n专门的专门的I/O指令使程序清晰易读指令使程序清晰易读n缺点：缺点：nI/O指令没有存储器指令丰富指令没有存储器指令丰富内存内存空间空间I/O空间空间FFFFF0FFFF80 x86采用采用I/O端口独立编址端口独立编址I/O端口与存储器统一编址n优点：优点：n不需要专门的不需要专门的I/O指令指令nI/O数据存取与存储器数数据存取与存储器数据存取一样灵活据存取一样灵活n缺点：缺点：nI/O端口要占去部分存储端口要占去部

9、分存储器地址空间器地址空间n程序不易阅读（不易分程序不易阅读（不易分清访存和访问外设）清访存和访问外设）内存内存部分部分I/O部分部分存储器空间存储器空间00000FFFFF6.1.4 8088/8086的输入输出指令n输入指令输入指令IN AL,i8;字节输入，直接寻址字节输入，直接寻址IN AL,DX;字节输入，间接寻址字节输入，间接寻址IN AX,i8;字输入，直接寻址字输入，直接寻址IN AX,DX;字输入，间接寻址字输入，间接寻址n输出指令输出指令OUT i8,AL;字节输出，直接寻址字节输出，直接寻址OUT DX,AL;字节输出，间接寻址字节输出，间接寻址OUT i8,AL;字输出

10、，直接寻址字输出，直接寻址OUT DX,AL;字输出，间接寻址字输出，间接寻址演演示示演示演示8088/8086的I/O端口n8088只能通过输入输出指令与外设进行数只能通过输入输出指令与外设进行数据 交 换 ； 呈 现 给 程 序 员 的 外 设 是 端 口据 交 换 ； 呈 现 给 程 序 员 的 外 设 是 端 口（Port），即），即I/O地址地址n8086用于寻址外设端口的地址线为用于寻址外设端口的地址线为16条，条，端口最多为端口最多为21665536（64K）个，端口）个，端口号为号为0000H FFFFHn每个端口用于传送一个字节的外设数据每个端口用于传送一个字节的外设数据I/

11、O寻址方式n8088/8086的端口有的端口有64K个，无需分段，个，无需分段，设计有两种寻址方式设计有两种寻址方式v直接寻址直接寻址：只用于寻址：只用于寻址00H FFH前前256个端口，操作数个端口，操作数i8表示端口号表示端口号v间接寻址间接寻址：可用于寻址全部：可用于寻址全部64K个端口，个端口，DX寄存器的值就是端口号寄存器的值就是端口号n对大于对大于FFH的端口只能采用间接寻址方式的端口只能采用间接寻址方式数据交换方式n如果输入输出一个字节，利用如果输入输出一个字节，利用AL寄存器寄存器n如果输入输出一个字，利用如果输入输出一个字，利用AX寄存器寄存器n输入一个字，实际上是从连续两

12、个端口输入输入一个字，实际上是从连续两个端口输入两个字节，分别送两个字节，分别送AL（对应低地址端口）（对应低地址端口）和和AH（对应高地址端口）（对应高地址端口）n输出一个字，实际上是将输出一个字，实际上是将AL（对应低地址（对应低地址端口）和端口）和AH（对应高地址端口）两个字节（对应高地址端口）两个字节的内容输出给连续两个端口的内容输出给连续两个端口IN指令（从20H端口输入一个字）；方法方法1 1：字量输入，直接寻址字量输入，直接寻址in ax,20hin ax,20h；方法方法2 2：字量输入，间接寻址字量输入，间接寻址mov dx,20hmov dx,20hin ax,dxin a

13、x,dx；方法方法3：字节输入，直接寻址字节输入，直接寻址in al,21hin al,21hmov ah,almov ah,alin al,20hin al,20h；方法方法4：字节输入，字节输入，间间接寻址接寻址mov dx,21hmov dx,21hin al,dxin al,dxmov ah,almov ah,aldec dxdec dxin al,dxin al,dxOUT指令（向300H端口输出一个字节）；唯一的方法：间接寻址，字节量输出；唯一的方法：间接寻址，字节量输出mov al,bvarmov al,bvar ；bvarbvar是字节变量是字节变量mov dx,300hmov

14、 dx,300hout dx,alout dx,al6.1.5 I/O地址的译码nI/O地址的译码方法与存储器地址的译码方法地址的译码方法与存储器地址的译码方法一样，但有它的特点：一样，但有它的特点：n部分译码时，通常是中间地址线不连接部分译码时，通常是中间地址线不连接n部分译码也有最低地址线不连接的情况部分译码也有最低地址线不连接的情况n每个接口电路通常只占用几个每个接口电路通常只占用几个I/O地址，这时可以利地址，这时可以利用基本逻辑门电路进行地址译码用基本逻辑门电路进行地址译码n除采用译码器、门电路进行译码外，除采用译码器、门电路进行译码外，I/O地址译码还地址译码还经常采用可编程逻辑器

15、件经常采用可编程逻辑器件PLDn为了给系统一定的选择余地，有些接口电路利用比为了给系统一定的选择余地，有些接口电路利用比较器、开关或跨接器等进行多组较器、开关或跨接器等进行多组I/O地址的译码地址的译码IBM PC/AT主机板的I/O译码电路接口芯片内部译码接口芯片内部译码A0A4DMA控制器控制器1中断控制器中断控制器1定时计数器定时计数器并行接口电路并行接口电路DMA页面寄存器页面寄存器中断控制器中断控制器2DMA控制器控制器2协处理器协处理器A5A6A7A8A9ALS138译码器译码器HLDAMASTERABCE1E2E3Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7IBM PC/XT主机板的I/O译

16、码电路Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5Y6 Y7A5A6 A7A8A9 AENIOWAB CG2BG2AG1DMA CS（8237）INTR CS（8259）T/C CS（8253）PPI CS（8255）WRTDMAPG（写（写DMA页面寄存器）页面寄存器）WRTNMIREG（写（写NMI屏蔽寄存器）屏蔽寄存器）逻辑门电路进行I/O地址译码A9A8A7A6A5A2A4A3AENA1A074LS033E7H6.1.6 数据传送方式n程序控制下的数据传送程序控制下的数据传送通过通过CPU执行程序执行程序中的中的I/O指令来完成传送，又分为：无条件传送、指令来完成传送，又分为：无条件传送、查询传

17、送、中断传送查询传送、中断传送n直接存储器存取（直接存储器存取（DMA）传送请求由外设传送请求由外设向向DMA控制器（控制器（DMAC）提出，后者向）提出，后者向CPU申请总线，最后申请总线，最后DMAC利用系统总线来完成外利用系统总线来完成外设和存储器间的数据传送设和存储器间的数据传送nI/O处理机处理机CPU委托专门的委托专门的I/O处理机来管处理机来管理外设，完成传送和相应的数据处理理外设，完成传送和相应的数据处理6.2 无条件传送方式及其接口n在在CPU与慢速变化的设备交换数据时，与慢速变化的设备交换数据时，可以认为它们总是处于可以认为它们总是处于“就绪就绪”状态，状态，随时可以进行数

18、据传送，这就是无条件随时可以进行数据传送，这就是无条件传送，或称立即传送、同步传送传送，或称立即传送、同步传送n适合于简单设备，如适合于简单设备，如LED数码管、按键数码管、按键或按纽等或按纽等n无条件传送的接口和操作均十分简单无条件传送的接口和操作均十分简单n这种传送有前提：外设必须随时就绪这种传送有前提：外设必须随时就绪流流程程无条件传送：输入示例IOR三态缓冲器OEI/O装置地址译码器CSD7D0A15A1A00160HMOV DX, 160HINAL, DX无条件传送：输入实例MOV DX, 160HINAL, DX74LS244+5V10K x 8G1 G2数据总线数据总线CSRD无

19、条件传送：输出示例地址译码器数据锁存器A15A1IOWA0CS0160H输出设备D7D0MOV DX, 160HMOV AL, BXOUT DX, AL无条件传送：输出实例MOV DX, 160HMOV AL, BXOUT DX, AL+5V74LS373300 x 8LE OE数据总线数据总线CSWR无条件传送：输入输出接口K7K1K0+5VD0D7A0A15CLKLS06反相反相驱动器驱动器LS2738D锁存器锁存器LS244三态三态缓冲器缓冲器8000H译码译码+5VLED0LED7GIOWIORnext:mov dx,8000h;DX指向数据端口指向数据端口in al,dx;从输入端口

20、读开关状态从输入端口读开关状态not al;反相反相out dx,al;送输出端口显示送输出端口显示call delay ;调子程序延时调子程序延时jmp next;重复重复6.3 查询传送方式及其接口nCPU需要先了解（查询）外设的工作状需要先了解（查询）外设的工作状态，然后在外设可以交换信息的情况下态，然后在外设可以交换信息的情况下（就绪就绪）实现数据输入或输出）实现数据输入或输出n对多个外设的情况，则对多个外设的情况，则CPU按一定顺序按一定顺序依次查询（轮询）。先查询的外设将优依次查询（轮询）。先查询的外设将优先进行数据交换先进行数据交换n查询传送的特点是：工作可靠，适用面查询传送的特

21、点是：工作可靠，适用面宽，但传送效率低宽，但传送效率低就绪就绪查询传送的两个环节 查询环节查询环节n寻址状态口寻址状态口n读取状态寄存器的标志位读取状态寄存器的标志位n若不就绪就继续查询，直至就绪若不就绪就继续查询，直至就绪 传送环节传送环节n寻址数据口寻址数据口n是输入，通过输入指令从数据端口是输入，通过输入指令从数据端口读入数据读入数据n是输出，通过输出指令向数据端口是输出，通过输出指令向数据端口输出数据输出数据输入状态输入状态就绪？就绪？数据交换数据交换YN流流程程6.3.1 查询输入接口IOR+5V8D锁存器锁存器8位位三态三态缓冲器缓冲器译码译码1位位三态三态缓冲器缓冲器RQ A0A

22、158000H8001HD0D7D0D输入输入设备设备IORSTBmov dx,8000h;DX指向状态端口指向状态端口status: in al,dx;读状态端口读状态端口test al,01h ;测试标志位测试标志位D0jz status;D00，未就绪，继续查询，未就绪，继续查询inc dx;D01，就绪，就绪，DX指向数据端口指向数据端口in al,dx;从数据端口输入数据从数据端口输入数据6.3.2 查询输出接口8D锁存器锁存器译码译码1位位三态三态缓冲器缓冲器RQ A0A158000H8001HD0D7D7D+5V输出输出设备设备ACKIOWIORmov dx,8000h;DX指向

23、状态端口指向状态端口status: in al,dx;读取状态端口的状态数据读取状态端口的状态数据test al,80h ;测试标志位测试标志位D7jnz status;D71，未就绪，继续查询，未就绪，继续查询inc dx;D70，就绪，就绪，DX指向数据端口指向数据端口mov al,buf ;变量变量buf送送ALout dx,al;将数据输出给数据端口将数据输出给数据端口6.3.3 查询方式的EEPROM编程2817AA0A10A0A108000HI/O0I/O7D0D7D0译码译码A11A19译码译码A0A15 RDY/BUSYIORWERDMEMWMEMRCEnext:mov al,

24、55h;写入内容写入内容55Hmov bx,al;写入存储单元写入存储单元nop ;空操作指令，起延时作用空操作指令，起延时作用nopnext1:in al,dx;查询状态口查询状态口test al,01h ;测试测试D0jz next1;D00，芯片还在写入，芯片还在写入inc bx;D01，写毕，指针移动，写毕，指针移动loop next ;循环至全部字节写完循环至全部字节写完6.4 中断传送方式断点断点主程序主程序中断服务程序中断服务程序中断请求中断请求对外设对外设进行处理进行处理继续执行继续执行返回断点返回断点nCPU在执行程序中，在执行程序中，被内部或外部的事件被内部或外部的事件所打

25、断，转去执行一所打断，转去执行一段预先安排好的中断段预先安排好的中断服务程序；服务结束服务程序；服务结束后，又返回原来的断后，又返回原来的断点，继续执行原来的点，继续执行原来的程序程序流程流程6.4.1 中断传送与接口n中断传送是一种效率更高的程序传送方式中断传送是一种效率更高的程序传送方式n进行传送的进行传送的中断服务程序是预先设计好的中断服务程序是预先设计好的n中断请求是外设随机向中断请求是外设随机向CPU提出的提出的nCPU对请求的检测是有规律的对请求的检测是有规律的：一般是在每：一般是在每条指令的最后一个时钟周期采样中断请求输条指令的最后一个时钟周期采样中断请求输入引脚入引脚n本书主要

26、论述中断在输入和输出方面的应用本书主要论述中断在输入和输出方面的应用n中断还有着非常广泛的应用中断还有着非常广泛的应用中断输入接口D0D7+5V8D锁存器锁存器8位位三态三态缓冲器缓冲器三态缓冲器三态缓冲器RQ 译码译码 8001H中断向量号中断向量号D0D7INTRD输入输入设备设备中断允许触发器中断允许触发器A0A15中断请求触发器中断请求触发器IORINTASTB6.4.2 中断工作过程n中断请求中断请求n中断响应中断响应n关中断关中断n断点保护断点保护n中断识别中断识别n现场保护现场保护n中断服务中断服务n恢复现场恢复现场n开中断开中断n中断返回中断返回中断服务是进行数据交换的实质性环

27、节中断服务是进行数据交换的实质性环节中断源的识别中断源的识别6.4.3 中断优先权问题问题1：系统有多个中断请求，：系统有多个中断请求，CPU如何识别中断源？如何识别中断源？解答解答1：向量中断向量中断（图（图6-10）解答解答2：中断查询中断查询（图（图6-12）中断查询接口（图6-12）A0A15锁锁存存器器INTR三态三态缓冲器缓冲器译码译码 8001HD0D7中断中断A中断中断B中断中断CIOR中断优先权排队中断优先权排队6.4.3 中断优先权（续1）问题问题2：有多个中断同时请求，：有多个中断同时请求，CPU如何应对？如何应对？解答解答1：链式优先权排队电路链式优先权排队电路（图（图

28、6-13）解答解答2：优先权编码电路优先权编码电路（图（图6-14）链式中断优先权排队电路（图（图6-13）A2A1C2C1D2D1B2B1中断源中断源A触发器触发器中断源中断源B触发器触发器中断源中断源C触发器触发器中断矢量中断矢量D中断矢量中断矢量C中断矢量中断矢量B中断矢量中断矢量A中断源中断源D触发器触发器缓冲器缓冲器缓冲器缓冲器缓冲器缓冲器缓冲器缓冲器INTA中断优先权编码电路（图（图6-14）比较器失效信号比较器失效信号比较器比较器8：3优先权优先权编码器编码器优先权优先权寄存器寄存器D0D721AB中断请求中断请求0中断请求中断请求1中断请求中断请求2A0A1A2INTRB0B1

29、B2中断嵌套中断嵌套6.4.3 中断优先权（续2）问题问题3：中断处理过程中，：中断处理过程中，又有中断提出请求，怎么办？又有中断提出请求，怎么办？解答解答1：链式优先权排队电路链式优先权排队电路（图（图6-13）解答解答2：优先权编码电路优先权编码电路（图（图6-14）除了硬件上能够识别更高级中断请求除了硬件上能够识别更高级中断请求外，软件上在中断服务程序中需要开放中外，软件上在中断服务程序中需要开放中断，才能实现中断嵌套断，才能实现中断嵌套6.5 DMA传送方式n希望克服程序控制传送的不足：希望克服程序控制传送的不足：外设外设CPU存储器存储器外设外设CPU存储器存储器n直接存储器存取直接

30、存储器存取DMA：外设外设存储器存储器外设外设存储器存储器nCPU释放总线，由释放总线，由DMA控制器管理控制器管理DMA传送的工作过程 CPU对对DMA控制器进行初始化设置控制器进行初始化设置 外设、外设、DMAC和和CPU三者通过应答信号三者通过应答信号建立联系：建立联系：CPU将总线交给将总线交给DMAC控制控制 DMA传送传送nDMA读存储器：存储器读存储器：存储器 外设外设nDMA写存储器：存储器写存储器：存储器 外设外设 自动增减地址和计数，判断传送完成否自动增减地址和计数，判断传送完成否DMA传送流程HLDA发存储器地址发存储器地址传送数据传送数据传送结束？传送结束？DMA结束结

31、束修改地址指针修改地址指针流程流程传送方式的比较n无条件传送无条件传送：慢速外设需与：慢速外设需与CPU保持同步保持同步n查询传送查询传送： 简单实用，效率较低简单实用，效率较低n中断传送中断传送：外设主动，可与：外设主动，可与CPU并行工作，并行工作，但每次传送需要大量额外时间开销但每次传送需要大量额外时间开销 nDMA传送传送：DMAC控制，外设直接和存储控制，外设直接和存储器进行数据传送，适合大量、快速数据传器进行数据传送，适合大量、快速数据传送送第第6 6章教学要求章教学要求1. 了解了解I/O接口电路的主要功能、接口电路的主要功能、内部和外部特点、端口编址方法、内部和外部特点、端口编址方法、I/O地址译码特点地址译码特点2. 掌握输入输出指令掌握输入输出指令3. 掌握无条件、查询传送方式掌握无条件、查询传送方式第第6 6章教学要求章教学要求（续）（续）4. 理解中断、中断源、中断工作理解中断、中断源、中断工作过程、中断源识别、优先