第5章输入输出接口基础1

1、黄玉清制作2022-4-195.1 5.1 输入输出概述输入输出概述5.4 5.4 输入输出的控制方式输入输出的控制方式黄玉清制作2022-4-19 通过对本章的学习，您应该能够达到下列要求： 描述接口与CPU和外设的信号 说明接口中主要的端口的作用 输入输出端口的寻址方式 输入输出的控制方式黄玉清制作2022-4-19黄玉清制作2022-4-19RAMROMI/OI/O接口外设ABDBCBCPU黄玉清制作2022-4-19微机的外部设备多种多样微机的外部设备多种多样外部设备外部设备数据格式、工作速度差别很大数据格式、工作速度差别很大外设外设不能不能与与CPU直接直接相连，必须经过中间电路再相

2、连，必须经过中间电路再与系统相连，这部分电路被称为与系统相连，这部分电路被称为I/O接口接口电路。电路。接口在接口在CPUCPU与外与外设之间设之间黄玉清制作2022-4-19I/O接口接口是是CPU与与“外部世界外部世界”的中转站，位于的中转站，位于CPU与外设间与外设间,用来协助完成数据传送和控制的用来协助完成数据传送和控制的逻辑电路逻辑电路.I/O端口端口：是接口电路中：是接口电路中CPU能访问的能访问的寄存器寄存器。I/O操作操作：CPU对与设备相关对与设备相关I/O接口电路的操接口电路的操作作，不是访问，不是访问I/O设备。设备。黄玉清制作2022-4-19I/OI/O接口的主要功能

3、？接口的主要功能？数据缓冲数据缓冲: :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控制命令锁存控制命令锁存: :对对CPUCPU的控制命令进行锁存的控制命令进行锁存外设信号变换外设信号变换: :对外设信号的形式和数据的对外设信号的形式和数据的格式进行变换格式进行变换端口寻址端口寻址: :I/OI/O端口进行寻址端口进行寻址联络联络: :对对CPUCPU和和I/OI/O设备进行联络设备进行联络黄玉清制作2022-4-19黄玉清制作2022-4-19数据数据端口端口: :存放存放CPUCPU与外设之间传送的数据信息。与外设之间传送的数据信息。状态状态端口端口: :反映当前外设所处的工

4、作状态。反映当前外设所处的工作状态。控制控制端口端口: :CPU CPU 通过接口向外设传送控制信息。通过接口向外设传送控制信息。黄玉清制作2022-4-19并行通信并行通信串行通信串行通信计数器计数器/定时器定时器8253并行接口并行接口8255中断控制器中断控制器8259DMA控制器控制器8237串行接口串行接口8250/8251黄玉清制作2022-4-19黄玉清制作2022-4-19I/O端口端口是接口电路中是接口电路中CPU能访问的能访问的寄存器寄存器端口编址方式端口编址方式两种方式两种方式将存储器与外设端口将存储器与外设端口统一统一编址编址外设端口外设端口单独单独编址编址 黄玉清制作

5、2022-4-19将外设接口电路的一个端口作为存储器将外设接口电路的一个端口作为存储器的一个单元。的一个单元。优点优点：不需要专门的输入输出指令，不需要专门的输入输出指令， 可用全部的存储器操作指令。可用全部的存储器操作指令。 （指令多且灵活）（指令多且灵活） 如：如：movmov kou1,bx kou1,bx 缺点缺点：外设占用内存单元，外设占用内存单元， 相对减少了内存容量相对减少了内存容量。65F302 0024E0内存与外设内存与外设内存内存外设外设026D黄玉清制作2022-4-19 优点优点：不占用内存：不占用内存 缺点缺点：CPU需设专门的需设专门的I/O指令。指令。65F30

6、2 00外设外设KOU1KOU2KOU3112233 44KOU100KOU101113232 01内存内存I/O 指令：指令：若端口地址在若端口地址在 0FFH 范围内范围内,则用直则用直接寻址接寻址 。 如：如： IN AL, 20H OUT 80H, AX OUT 84H, AL 若端口地址在若端口地址在 0100FFFFH 范围内，范围内，则用则用DX间接寻址。间接寻址。 MOV DX, 300H IN AL, DX黄玉清制作2022-4-191. IBM PC/XT I/O 端口地址分配图端口地址分配图0000001F0020003F0040005F0060007F0080009F0

7、0A000BF008001FF32字节字节320字节字节32字节字节32字节字节32字节字节32字节字节32字节字节0000000F8237A5 DMA控制器控制器002000218259A 中断控制器中断控制器004000438253A5 定时定时/计数器计数器006000638255A5 并行接口芯片并行接口芯片00800083DMA 页面寄存器页面寄存器00A000BFNMI 屏蔽寄存器屏蔽寄存器黄玉清制作2022-4-1902000200020F游戏控制口游戏控制口02100217扩展部件扩展部件021802F7未用未用02F802FF异步通信卡（第二个）异步通信卡（第二个）03200

8、32F硬盘适配器硬盘适配器03300377并行打印机并行打印机未用未用0300031F实验卡实验卡0380038F039003AF03B003BF03C003CF03D003DF03E003EF03F003F703F803FF03FF0378037FSPLC通信通信未用未用单色显示器单色显示器 / 打印机打印机未用未用未用未用彩色彩色/ 图形显示卡图形显示卡软盘适配器软盘适配器异步通信卡（第一个）异步通信卡（第一个）黄玉清制作2022-4-19: :就是把地址信号与控制信号进行逻就是把地址信号与控制信号进行逻辑组合辑组合,产生对芯片的选择信号产生对芯片的选择信号. 例例: 用用BHE信号控制奇

9、偶地址信号控制奇偶地址 用用AEN信号控制非信号控制非DMA传送传送, AEN=1, CPU掌掌管总线管总线,可以进行可以进行I/O端口访问端口访问. 用用IOR和和IOW控制读写控制读写AEN是是DMA控制器控制器的地址锁存输出的地址锁存输出黄玉清制作2022-4-19问题：问题：8086CPU的的I/O地址最多可达多少？地址最多可达多少？由于用由于用DX间接寻址，间接寻址， I/O地址线可达地址线可达16条，条，I/O最大寻址空间最大寻址空间=216=64K实际在主板中一般只有实际在主板中一般只有10地址线寻址地址线寻址I/O空间。空间。黄玉清制作2022-4-19【例【例】：假设端口地址

10、为：假设端口地址为2F8H，译码电路如何设计？，译码电路如何设计？ A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 2 F 8书中的图书中的图黄玉清制作2022-4-19 若需要若需要多个端口地址多个端口地址,可以采用译码可以采用译码器：器：3-8译码器译码器4-16译码器译码器双双2-4译码器译码器黄玉清制作2022-4-19【例【例5-2】使用使用74LS138设计系统板上的设计系统板上的I/O地址地址,并且并且使每个接口芯片内部可以有使每个接口芯片内部可以有32个端口数目个端口数目.1)1)分析分析:系统板地址范围系统板地址范围:00F

11、FH,只使用低只使用低8位地址线位地址线. 留出低留出低5位地址线不参加译码位地址线不参加译码(25=32);黄玉清制作2022-4-19A B C 0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7输输 出出地址范围地址范围: 00001FH(8237A端口地址范围）端口地址范围） 02003FH(8259A端口地址范围）端口地址范围） 0E00FFHY0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5Y6 Y7A5A6 A7A8A9 AENIOWAB CG2BG2AG174LS138DMA CS（8237）INTR CS（8259）

12、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）1174LS32黄玉清制作2022-4-19程序传送方式程序传送方式 DMA方式方式问题：问题：8086CPU如何控制如何控制I/O设备的数据设备的数据传输？传输？黄玉清制作2022-4-19由程序（由程序（IN/OUTIN/OUT指令指令）控制）控制CPUCPU与外设之间进行与外设之间进行数据交换。数据交换。外外设设接接口口CPUCPU内内部部寄寄存存器器黄玉清制作2022-4-19一、无条件传送方式一、无条件传送方式传送过程：传送过程

13、：外设已准备好，不查询外设的状态外设已准备好，不查询外设的状态输入时，外设的数据已送到三态缓冲器。输入时，外设的数据已送到三态缓冲器。输出时，输出时，CPUCPU的输出信息已送到输出锁存器的输出信息已送到输出锁存器的输入端。的输入端。软件上只需用软件上只需用输入或输出指令输入或输出指令用途：用于简单外设用途：用于简单外设开关开关LEDLED显示器显示器黄玉清制作2022-4-19选中地址选中地址数据数据写信号写信号读信号读信号输出端口输出端口输入端口输入端口选通信号选通信号黄玉清制作2022-4-19【例【例】：输入：输入： MOV DX, 300H ;端口地址送端口地址送DX IN AL,

14、DX；300H端口的内容输入端口的内容输入AL。 IOR=0，AL=10H【例【例】：输出：输出： MOV DX, 300H ;端口地址送端口地址送DX OUT AL, DX；(AL)=10H 将将AL中的内容送中的内容送82H端口。端口。 IOW=0，（，（300H）=10H 黄玉清制作2022-4-19【例【例5-3】读图，输入输出口地址？读图，输入输出口地址？黄玉清制作2022-4-198位锁存器位锁存器74LS273单向三态缓冲器单向三态缓冲器74LS244黄玉清制作2022-4-19【例【例5-3】无条件传送，】无条件传送，如图，开关闭合，对应发光二极如图，开关闭合，对应发光二极管亮

15、。管亮。 AGAIN：MOV DX, 300H;DX指向数据端口指向数据端口 IN AL, DX ;从缓冲器读入开关状态从缓冲器读入开关状态 NOT AL;求反（因为求反（因为74LS06是反向驱动是反向驱动） OUT DX, AL ;向锁存器输出开关状态向锁存器输出开关状态（显示）（显示） JMP AGAIN ;重复重复 黄玉清制作2022-4-19二、条件（查询）传送方式二、条件（查询）传送方式查询式数据传送过程查询式数据传送过程3个环节个环节：查询状态环节查询状态环节CPU寻址状态口，读取状态字寻址状态口，读取状态字检测是否满足检测是否满足“就绪就绪” 条件条件如果不满足，回到第一步读取

16、状态字；如果不满足，回到第一步读取状态字；数据传送环节数据传送环节外设已处于外设已处于“就绪就绪”状态，寻址数据口状态，寻址数据口是输入，通过输入指令从数据端口读入数据是输入，通过输入指令从数据端口读入数据是输出，通过输出指令向数据端口输出数据是输出，通过输出指令向数据端口输出数据特点：工作可靠，适用面宽，但传送效率低特点：工作可靠，适用面宽，但传送效率低输入状态输入状态就绪？就绪？数据交换数据交换YN流程流程黄玉清制作2022-4-19查询式输入接口电路查询式输入接口电路1）查询式输入）查询式输入外设准备好外设准备好数据，发选数据，发选通信号通信号CPU读读状态，状态，准备好？准备好？CPU

17、读读数据数据黄玉清制作2022-4-19【例【例5-4】：设有某：设有某输入接口输入接口，状态口地址，状态口地址83H,数据口数据口地址地址80H,当状态口的当状态口的D7为为1时时,数据准备好。数据准备好。试编写试编写查寻式输入一个数据的程序；查寻式输入一个数据的程序；POLL： IN AL，83H TEST AL，80H ；检查状态位；检查状态位D7 JZ POLL ；D7=0,没就绪，继续查询没就绪，继续查询 IN AL，80H ；D7=1,就绪，从数据端口就绪，从数据端口 ；读入数据；读入数据D7 D6 D0READY状态口状态口黄玉清制作2022-4-192 2）查询式输出：）查询式

18、输出： CPUCPU查询外设状态是否忙查询外设状态是否忙, ,不忙不忙, ,执行输出执行输出; ;否则等待。否则等待。读状态读状态,是否忙？是否忙？不忙，不忙，输出数输出数据据黄玉清制作2022-4-19【例【例5-5】：设有某设有某输出接口输出接口，状态口地址，状态口地址63H,数据口数据口地址地址60H,当状态口的当状态口的D0为为1时时,输出忙输出忙BUSY，D0为为0时，时，可以输出数据。可以输出数据。试编写查寻式输出试编写查寻式输出DAT单元一个数据单元一个数据的程序。的程序。查询部分的程序：查询部分的程序：POLL：IN AL，63H ；读入状态；读入状态 TEST AL，01H

19、；检查忙标志；检查忙标志D0 JNZ POLL ；D0=1,未就绪，继续查询未就绪，继续查询 MOV AL，DAT ；D0=0,就绪就绪,数据送数据送AL OUT 60H，AL ；将数据输出到数据端口；将数据输出到数据端口 D7 D6 D0BUSY黄玉清制作2022-4-19 【例【例5-6】：设有某：设有某输入接口输入接口，状态口地址，状态口地址83H,数据口地址数据口地址80H,当状态口的当状态口的D7为为1时时,数据准备好。数据准备好。试用查寻式方式，试用查寻式方式，输入输入10个数据个数据,并将数据存在并将数据存在BUF开始的单元中的程序，编开始的单元中的程序，编写主要程序段。写主要程

20、序段。 BUF DB 10 DUP(?) MOV SI,0 MOV CX,10POLL: IN AL,83H TEST AL,80 ;检查状态位检查状态位READY JZ POLL IN AL,80H MOV BUFSI,AL ;存数据存数据 INC SI LOOP POLL .黄玉清制作2022-4-19条件传送方式的工作原理是怎样的？主要用在条件传送方式的工作原理是怎样的？主要用在什么场合？什么场合？画出条件传送（查询）方式输出过程的流程图。画出条件传送（查询）方式输出过程的流程图。查询式传送方式有什么优缺点？查询式传送方式有什么优缺点？ 黄玉清制作2022-4-19中断传送方式的原理中断

21、传送方式的原理 启动外设启动外设 外设准备好数据外设准备好数据,发一个选通信号发一个选通信号 外设向外设向CPU发中断请求发中断请求 CPU收到中断请求信号，暂停现行程序收到中断请求信号，暂停现行程序 CPU执行中断服务程序，执行输入输出操执行中断服务程序，执行输入输出操作作 中断服务程序结束，返回原来程序中断服务程序结束，返回原来程序 黄玉清制作2022-4-19外设准备好外设准备好数据，发中数据，发中断申请断申请传送传送数据数据CPU响响应中断应中断中断申中断申请送请送CPU黄玉清制作2022-4-19中断过程大致分为：中断过程大致分为：中断请求中断请求：由需要提供中断服务程序的设备提：由

22、需要提供中断服务程序的设备提出；出；中断响应中断响应：CPUCPU给设备发出一个中断应答信号；给设备发出一个中断应答信号；现场保护现场保护：保护执行中断服务程序前的各种信：保护执行中断服务程序前的各种信息；息；执行中断服务程序执行中断服务程序：完成特定的操作；：完成特定的操作；退出中断服务程序退出中断服务程序：恢复现场。：恢复现场。黄玉清制作2022-4-19中断传送方式的特点中断传送方式的特点中断传送是一种中断传送是一种效率更高效率更高的程序传送方式的程序传送方式进行传送的进行传送的中断服务程序中断服务程序是是预先预先设计好的设计好的中断请求是外设中断请求是外设随机随机向向CPU提出的提出的

23、CPU对请求的对请求的检测检测是有规律的：一般是在每是有规律的：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黄玉清制作2022-4-191、查询式传送方式有什么优缺点？中断方式为什、查询式传送方式有什么优缺点？中断方式为什么能弥补查询式传送方式的缺点？么能弥补查询式传送方式的缺点？黄玉清制作2022-4-19 DMA特点是什么特点是什么? 具有接管和控制系统总线的功能，但在取得具有接管和控制系统总线的功能，但在取得总线控制权之前，与其它接口芯片一样，受总线控制权之前，与其它接口芯片一样，受CPU的控制。的控制。在在DMA方式，方式，DMA管

24、理总线，控制传送数据管理总线，控制传送数据的开始与结束，传送的字节数，传送的方向及的开始与结束，传送的字节数，传送的方向及地址。地址。黄玉清制作2022-4-19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CPUCPU存储器存储器外设外设CPUCPU存储器存储器直接存储器存取直接存储器存取DMADMA方式方式用专用接口电路直接和存储器进行数据传送。用专用接口电路直接和存储器进行数据传送。 外设外设存储器存储器 外设外设存储器存储器黄玉清制作2022-4-191. 周期挪用周期挪用 CPU不访问存储器时的那些周期，用来进不访问存储器时的那些周期，用来进行行DMA操作。操作。2

25、 .周期扩展周期扩展 使用专门时钟电路使用专门时钟电路 需要需要DMA操作时，使操作时，使CPU的时钟周期加的时钟周期加宽，在加宽的时钟周期进行宽，在加宽的时钟周期进行DMA操作。操作。3 .CPU停机方式停机方式 最常见方式最常见方式黄玉清制作2022-4-19能接受外设的请求，并能向能接受外设的请求，并能向CPUCPU发发DMADMA请求信号；请求信号；CPUCPU接到接到DMADMA请求信号，如果允许，请求信号，如果允许，CPUCPU发发DMADMA响应信号，响应信号，DMADMA控制器接管总线，进入控制器接管总线，进入DMADMA方式；方式；能寻址存储器，并修改地址；能寻址存储器，并修

26、改地址；能向外设发读能向外设发读/ /写信号；写信号；能控制传诵的字节数，判断能控制传诵的字节数，判断DMADMA是否结束；是否结束；DMADMA结束时，能向结束时，能向CPUCPU发出结束信号，将总线控制权交还发出结束信号，将总线控制权交还CPUCPU；黄玉清制作2022-4-19HLDA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图图 DMA流程图流程图黄玉清制作2022-4-19外设发外设发DMA请请求求DMA响应响应DMA接接管总线管总线DMA直接传直接传送数据送数据黄玉清制作2022-4-19无条件传送无条件传送：慢速外设需与：慢速外设需与CPU保持同步保持同步查询传送查询传送： 简单实用，效率较低，硬件开销小简单实用，效率较低，硬件开销小中断传送中断