微机原理第06章

1、第第 6 6 章章第第6章章 基本输入输出接口基本输入输出接口教学重点 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第第6章：章：6.1 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速度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分电路被称为这部分电路被称为I/O接口电

2、路接口电路多种外设多种外设第第6章：章：6.1 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/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6章：章：6.1 I/O接口概述接口概述（续（续2）什么是微机接口技术？什么是微机接口技术？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注意其软硬结合的特点注意其软硬结合的特点根据应用

3、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第第6章：章：6.1.1 I/O接口的主要功能接口的主要功能 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/

4、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6章：章：6.1.2 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6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

5、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6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：用于与用于与CPU连接连接主要是数据、地址和控制信号主要

6、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：用于与外设连接用于与外设连接提供的信号五花八门提供的信号五花八门功能定义、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6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

7、的专用接口芯片面向微机系统的专用接口芯片与与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6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：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6章：章：

8、6.1.3 I/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端口有两类编排形式端口有两类编排形式I/O端口单独编址端口单独编址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如如8086/8088I/O端口与存储器统一编址端口与存储器统一编址它们共享一个地址空间它们共享一个地址空间如如M6800第第6章：章： I/O端口单独编址端口单独编址优点：优点：I/O端口的地址空间独立端口的地址空间独立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缺点：缺点：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

9、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6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：不需要专门的不需要专门的I/O指令指令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缺点：缺点：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00000FFFFF第第6章：章：6.1.4 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

10、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,i8;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 i8,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6章：章：8088/8086的的I/O端口端口8088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（Po

11、rt），即），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的外设数据每个端口用于传送一个字节的外设数据第第6章：章：I/O寻址方式寻址方式8088/8086的的端口有端口有64K个，无需分段，设个，无需分段，设计有两种寻址方式计有两种寻址方式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

12、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寻址方式的端口只能采用间接寻址方式第第6章：数据交换方式章：数据交换方式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寄存器寄存器输入一个字，实际上是从连续两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）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

13、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第第6章：章：IN指令实例（指令实例（从从20H端口输入一个字）端口输入一个字）；方法；方法1 1：直接寻址，字量输入：直接寻址，字量输入in ax,20hin ax,20h；方法；方法2 2：间接寻址，字量输入：间接寻址，字量输入movmov dx,20h dx,20hin ax,dxin ax,dx；方法；方法3：直接寻址，字节量输入直接寻址，字节量输入in al,21hin al,21hmovmov ah,al ah,alin al,20hin al,20h；方法；方法4：间：间接寻址，字节量输入接寻址，字节量输入movmov

14、 dx,21h dx,21hin al,dxin al,dxmovmov ah,al ah,aldecdec dx dxin al,dxin al,dx第第6章：章：OUT指令实例（向指令实例（向300H端口输出一个字节）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movmov dx,300h dx,300hout dx,alout dx,al第第6章：章：6.1.5 I/O地址的译码地址的译码I/O地址的译码方法与存储器地址的译码方法一样，地址的译码方法与存储器地址的译

15、码方法一样，但有它的特点：但有它的特点：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，这时可以利用基地址，这时可以利用基本逻辑门电路进行地址译码本逻辑门电路进行地址译码除采用译码器、门电路进行译码外，除采用译码器、门电路进行译码外，I/O地址译码还经常地址译码还经常采用可编程逻辑器件采用可编程逻辑器件PLD为了给系统一定的选择余地，有些接口电路利用比较器、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开关或跨接器等进

16、行多组I/O地址的译码地址的译码第第6章：章：IBM PC/AT主机板的主机板的I/O译码电路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HLDAMASTERABCE1E2E3Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7第第6章：章：IBM PC/XT主机板的主机板的I/O译码电路译码电路Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5Y6 Y7A5A6 A7A8A9 AENIOWAB CG2BG2AG1

17、74LS138DMA 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）第第6章：逻辑门电路进行章：逻辑门电路进行I/O地址译码地址译码A9A8A7A6A5A2A4A3AENA1A074LS033E7H第第6章：章：6.1.6 数据传送方式数据传送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

18、储器存取（直接存储器存取（DMA）传送请求由外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第第6章：章：6.2 无条件传送方式及其接口无条件传送方式及其接口在在CPU与慢速变化的设备交换数据时，可以与慢速变化的设备交换数据时，可以认为它们总是处于认为它们总是处于“就绪就绪”状态，随时可以状态，随时可以进行

19、数据传送，这就是无条件传送，或称立进行数据传送，这就是无条件传送，或称立即传送、同步传送即传送、同步传送适合于简单设备，如适合于简单设备，如LED数码管、按键或按数码管、按键或按纽等纽等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程流程第第6章：无条件传送：输入示例章：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, 160HIN AL, DX第第6章：无条件传送：输入实例章：无条件传送：输入实例MOV DX, 160HIN AL, DX74LS2

20、44+5V10K x 8G1 G2数据总线数据总线CSRD第第6章：无条件传送：输出示例章：无条件传送：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第第6章：无条件传送：输出实例章：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第第6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

21、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；调子程序延时jmp next；重复；重复第第6章：章：6.3 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

22、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6章：查询传送的两个环节章：查询传送的两个环节 查询环节查询环节寻址状态口寻址状态口读取状态寄存器的标志位读取状态寄存器的标志位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 传送环节传送环节寻址数据口寻址数据口是输入，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是输出，通过输出指令向数据端口

23、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6章：章：6.3.1 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 A0A158000H8001HD0D7D0D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

24、口in al,dx；从数据端口输入数据；从数据端口输入数据第第6章：章：6.3.2 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,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，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

25、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6章：章：6.4 中断传送方式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6章：章：6.4.1 中断传送与接口中断传送与接口中断传送是一种效率更高的程序传送方式中断传送是

26、一种效率更高的程序传送方式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CPU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本书主要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中断还有着非常广泛的应用中断还有着非常广泛的应用第第6章：中断输入接口章：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

27、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IORINTASTB第第6章：章：6.4.2 中断工作过程中断工作过程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第第6章：章：6.4.3 中断优先权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

28、断（图（图6-10）解答解答2：中断查询中断查询（图（图6-12）第第6章：中断查询接口章：中断查询接口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第第6章：章：6.4.3 中断优先权中断优先权（续（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）中断嵌套中断嵌套第第6章：章：6.4.3 中断优先权中断优先权（续（续2）问题问题3：中断处

29、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）第第6章：章：6.5 DMA传送方式传送方式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6章：章：DMA传送的工作过程传送的工作过程 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

30、、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DMA读存储器：存储器读存储器：存储器 外设外设DMA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，判断传送完成否第第6章：章：DMA传送流程传送流程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结束结束修改地址指针修改地址指针流程流程第第6章：传送方式的比较章：传送方式的比较无条件传送无条件传送：慢速外设需与：慢速外设需与CPU保持同保持同步步查询传送查询传送： 简单实用，效率较

31、低简单实用，效率较低中断传送中断传送：外设主动，可与：外设主动，可与CPU并行工并行工作，但每次传送需要大量额外时间开销作，但每次传送需要大量额外时间开销 DMA传送传送：DMAC控制，外设直接和存控制，外设直接和存储器进行数据传送，适合大量、快速数储器进行数据传送，适合大量、快速数据传送据传送第第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、内部和外部接口电路的主要功能、内部和外部特点、端口编址方法、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4. 理解中断、中断源、中断工作过程、中断理解中断、中断源、中断工作过程、中断源识别、优先权排队和中断嵌套源识别、优先权排队和中断嵌套5. 理解理解DMA传送的工作过程传送的工作过程习题习题6（第（第165页）页） 6.1 6.8 6.10多种多样的外设多种多样的外设工作原理不同工作原理不同机械、电子、机电、电磁机械