物联网13新整合后第5章输入输出

1、第第 5 5 章章第第5章章 基本输入输出接口基本输入输出接口教学重点教学重点 I/O接口电路的典型结构接口电路的典型结构 无条件传送方式无条件传送方式 查询传送方式查询传送方式 中断工作过程中断工作过程 DMA传输方式传输方式第第5章：章：5.1 I/O接口概述（接口概述（*）为什么需要为什么需要I/OI/O接口（电路）接口（电路）？微机的外部设备多种多样微机的外部设备多种多样工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作速度工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差别很大方面彼此差别很大它们不能与它们不能与CPU直接相连直接相连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这部

2、分电路被称为这部分电路被称为I/O接口电路接口电路前面前面讲述了存储器的扩展，也即存储器地址空间。讲述了存储器的扩展，也即存储器地址空间。除此外，除此外， 8086 /8088还有还有I/O端口寄存器地址空间，端口寄存器地址空间，用于处理输入用于处理输入/输出的外部设备输出的外部设备多种外设多种外设第第5章：章：5.1 I/O接口概述接口概述（续（续1）什么是什么是I/O接口（电路）？接口（电路）？ I/O接口是位于系统与外设间、用来协助完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成数据传送和控制任务的逻辑电路 PC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/

3、O总线槽总线槽的电路板（适配器）都是接口电路的电路板（适配器）都是接口电路第第5章：章：5.1.1 I/O接口的主要功接口的主要功 能能 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输出接口有锁存环节锁存环节；输入接口有；输入接口有缓冲环节缓冲环节实际的电路常见：实际的电路常见：输出锁存缓冲环节输出锁存缓冲环节、输入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端口端口进行寻址进行寻址 与与CPU和和I/O设备进行联络设备进行联络第第5章：章：5

4、.1.2 I/O接口的典型结构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第第5章：章：1. 接口电路的内部结构接口电路的内部结构 CPU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

5、存器数据寄存器u 输入数据寄存器：保存外设给输入数据寄存器：保存外设给CPU的数据的数据u 输出数据寄存器：保存输出数据寄存器：保存CPU给外设的数据给外设的数据 状态寄存器状态寄存器u 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u 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第第5章：章：2. 接口电路的外部特性接口电路的外部特性 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：u 用于与用于与CPU连接连接u 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

6、：u 用于与外设连接用于与外设连接u 提供的信号五花八门提供的信号五花八门u 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第第5章：章：3. 接口电路芯片的分类接口电路芯片的分类 接口电路核心部分往往是一块或数块大规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）：模集成电路芯片（接口芯片）： 通用接口芯片通用接口芯片u 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 面向外设的专用接口芯片面向外设的专用接口芯片u 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 面向微机系统的专用接口芯片面向微机系统的专用接

7、口芯片u 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，以增强其总体功能第第5章：章：4. 接口电路的可编程性接口电路的可编程性 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方法选定其中一种 接口需进行物理连接，还需编写接口软件接口需进行物理连接，还需编写接口软件 接口软件有两类：接口软件有两类：u 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u 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第第5章：章：5.1.3 I/

8、O端口的编址端口的编址接口电路占用的接口电路占用的I/O端口有两类编端口有两类编址址形式形式 I/O端口独立编址端口独立编址u I/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u 如我们学习的如我们学习的8086/8088微处理器微处理器 I/O端口与存储器统一编址端口与存储器统一编址u 它们共享一个地址空间它们共享一个地址空间u 如如M6800第第5章：章： I/O端口独立编址端口独立编址 优点：优点：u I/O端口的地址空间独立端口的地址空间独立u 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u 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 局限性：局限性：u

9、I/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第第5章：章： I/O端口与存储器统一编址端口与存储器统一编址 优点：优点：u 不需要专门的不需要专门的I/O指令指令u I/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 局限性：局限性：u I/O端口要占去部分存储端口要占去部分存储器地址空间器地址空间u 程序不易阅读（不易分清程序不易阅读（不易分清访问存储器还是访问外部访问存储器还是访问外部设备）设备）u 读写读写I/O设备速度慢设备速度慢内存内存部分部分I/O部分部分存

10、储器空间存储器空间00000FFFFF第第5章：章：5.1.4 8088/8086的输入输出指令的输入输出指令 输入指令输入指令（IN：将外设数据传送给将外设数据传送给CPU内的内的AL/AX）IN AL,i8;字节输入字节输入IN AL,DX;字节输入字节输入IN AX,i16;字输入字输入IN AX,DX;字输入字输入 输出指令输出指令（OUT：将将CPU内的内的AL/AX数据传送给外设）数据传送给外设）OUT i8,AL;字节输出字节输出OUT DX,AL;字节输出字节输出OUT i16,AX;字输出字输出OUT DX,AX;字输出字输出演示演示演示演示第第5章：章：8088/8086的

11、的I/O端口端口 8086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）号，即）号，即I/O地址地址 8086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 FFFFH 每个端口用于传送一个字节或一个字的外每个端口用于传送一个字节或一个字的外设数据设数据第第5章：章：I/O寻址方式与数据交换方式寻址方式与数据交换方式 8088/8086的端口有的端口有64K个，无需分段，有个，无需分段，有两种寻址方式两

12、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个个端口，操作数端口，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 对大于对大于FFH的端口只能采用间接的端口只能采用间接 注意：注意： 如果输入如果输入/输出一个字节，利用输出一个字节，利用AL寄存器寄存器 如果输入如果输入/输出一个字，利用输出一个字，利用AX寄存器寄存器第第5章：章：5.1.5 I/O地址的译码地址的译码 I/O地址的译地址的译 码码 方法与存储器地址的译方法与存储器地址的译 码码 方法一样，方法

13、一样，也即也即I/O端口的选择编码与端口的选择编码与存储器片选择及单元编址一存储器片选择及单元编址一样。样。也有其特点：也有其特点：u 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，这时可以利用基本地址，这时可以利用基本逻辑门电路进行地址译码逻辑门电路进行地址译码u 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地址译码还经常采地址译码还经常采用可编程逻辑器件用可编程逻辑器件PLDu 为了给系统一定的选择余地，有些接口电路利用比较器、开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关或跨接器等进行多组I/O地址的译码地址的译码

14、u 在微型计算机中，快速的在微型计算机中，快速的CPU与慢速的外设之间的数据传与慢速的外设之间的数据传输有三种方式输有三种方式;程序控制输入输出查询方式、程序中断的输程序控制输入输出查询方式、程序中断的输入输出方式、直接存储器存取（入输出方式、直接存储器存取（DMA）方式）方式第第5章：章：PC中的中的I/O端口空间分配表（插槽端口空间分配表（插槽I/O口地址）口地址）端口寄存器地址分配的外设对象FFFFH0400H扩展区，主板和PCI扩展总线及其用户端口03FFH03F8H串行通信端口COM103F7H软盘控制器03F6H硬盘控制器03F5H 03F2H软盘控制器03DFH 03D0H彩色/

15、图形显示适配器03BFH 03B0H单色显示器与打印机适配器037FH 0378H并行打印机端口LPT1027FH 0278H02FFH 02F8H0207H 0200H1F7H 1F0H,177H170H00FFH 00F0H00DFH 00C0H串行通信端口COM2并行打印机端口LPT2游戏端口硬盘控制器数学协处理器8237A DMA控制器2的端口8259A可编程中断控制器的端口，从片00A1H 00A0H008FH,008BH 0089H8237A DMA控制器2的页面寄存器8237A DMA控制器1的页面寄存器 0087H，0083H 0081H000FH 0000H8237A DMA

16、控制器1的端口0021FH 0020FH8259A可编程中断控制器的端口，主片0043FH 0040FH8254系统定时器/计数器的端口0063FH 0060FH8255A的端口键盘控制器0064H0066HACPI嵌入式控制器 0071H 0070H系统CMOS/实时时钟第第5章：章：5.2 程序控制输入程序控制输入/输出输出 数据的方式数据的方式 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执行程执行程序中的序中的I/O指令来完成传送，又分为：无条件指令来完成传送，又分为：无条件传送、查询传送、中断传送传送、查询传送、中断传送 直接存储器存取（直接存储器存取（DMA）传送请求由外

17、传送请求由外设向设向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利用系统总线来利用系统总线来完成外设和存储器间的数据传送完成外设和存储器间的数据传送 I/O处理机处理机CPU委托专门的委托专门的I/O处理机来处理机来管理外设，完成传送和相应的数据处理管理外设，完成传送和相应的数据处理MOV DX, 160HIN AL, DX74LS244+5V10K x 8G1 G2数据总线数据总线IORD第第5章：章：5.2.1.1 无条件传送方式输入举例无条件传送方式输入举例第第5章：章：5.2.1.2无条件传送：输出实例无条件传送：输出实例MOV

18、DX, 160HMOV AL, BXOUT DX, AL+5V74LS373300 x 8LE OE数据总线数据总线IOWR第第5章：无条件传送：输入输出接口章：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

19、；调子程序延时jmp next；重复；重复第第5章：章：5.2.2查询传送方式及其接口查询传送方式及其接口 CPU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 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 查询传送的特点是：工作可靠，适用面查询传送的特点是：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？第第5章：查询传送的两个环节章

20、：查询传送的两个环节 查询环节查询环节u 寻址状态口寻址状态口u 读取状态寄存器的标志位读取状态寄存器的标志位u 若没有就绪就继续查询，直至就绪若没有就绪就继续查询，直至就绪 传送环节传送环节u 寻址数据口寻址数据口u 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u 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流程流程第第5章：章：5.2.3 查询输入接口查询输入接口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 A0A158000H80

21、01HD0D7D0D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，跳转继续查询，未就绪，跳转继续查询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第第5章：章：5.2.3 查询输出接口查询输出接口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,

22、8000h ；DX指向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，跳转继续查询，未就绪，跳转继续查询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第第5章：章：5.2.4 中断传送方式中断传送方式断点断点主主 程序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 CPU在执行程序中，在执行程序中，被内部或外部的事件所被内部或外部的事件所打断，转去执行一段预打断，转去执行一段预先安排好的中断服务程先安排好的中断服务程序；服务结束后，又返序；服务结束后，又返回原来的断点，继续执回原来的断点，继续执行原来的程序行原来的程序流程流程第第5章：章：5.2.5 DMA传送方式的特点传送方式的特点 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 直接存储器存取直接存储器存取DMA：外设外设存储器存储器外设外设存储器存储器 CPU释放总线，由释放总线，由DMA控制器管理控制器管理第第5章：章：