第18讲第6章输入输出接口技术

1、第第6章章 第6章 输入输出接 口 2n如何有效的学习微机原理与接口技术？n是什么使你止步不前？n你还没有适应q不适应学习方式的转换不适应学习方式的转换q不适应不适应8086编程的背景编程的背景q不适应汇编程序的开发方式不适应汇编程序的开发方式q不适应大量文档的有效阅读不适应大量文档的有效阅读q不适应从动脑到动手的过程不适应从动脑到动手的过程q不适应内容太多太快不适应内容太多太快静下心来，阅读文静下心来，阅读文档，动手编程，如档，动手编程，如果你觉得能力不够，果你觉得能力不够，不要气馁。从最简不要气馁。从最简单最基本做起单最基本做起缺乏学习动力与好奇心第6章 输入输出接 口 3第6章 输入输出

2、接 口 4微机接口概述微机接口概述I/OI/O接口的译码接口的译码接口的编程接口的编程 第6章 输入输出接 口 5n重重点点: :nI/O端口地址译码技术n n难难点点:nI/O端口地址译码技术A0D15D8D7D0A1-A19CSA0-A18D15-D8CSA0-A18BHE奇地址奇地址（高字节）（高字节）存储体存储体512K8bit 偶地址偶地址（低字节）（低字节）存储体存储体512K8bitD0-D7无效无效有效有效课前复习课前复习: : 80868086的的程序访问结构程序访问结构演示演示无效无效有效有效访访问问一一个个字字为什么要分奇偶为什么要分奇偶存储体？怎样实存储体？怎样实现奇偶

3、存储体寻现奇偶存储体寻址？址？第6章 输入输出接 口 7 无操作无操作 1 1只访问偶地址存储体，读写低字节只访问偶地址存储体，读写低字节 0 1只访问奇地址存储体，读写高字节只访问奇地址存储体，读写高字节 1 0同时访问两个存储体，读写一个字同时访问两个存储体，读写一个字 0 0 操作（读或写）操作（读或写） A0BHE第6章 输入输出接 口 8CPU对存储器进行读写操作过程对存储器进行读写操作过程：首先要由地址总线给出地址信号，选择要进行读/写操作的存储单元，然后通过控制总线发出相应的读/写控制信号，最后才能在数据总线上进行数据交换。包括： 地址线的连接； 数据线的连接； 控制线的连接。在

4、连接中要考虑以下问题：在连接中要考虑以下问题： CPU总线的负载能力；总线的负载能力；CPU与存储器工作速度的匹配；与存储器工作速度的匹配；存储器的地址分配和片选问题存储器的地址分配和片选问题；控制信号的连接。控制信号的连接。1: 如何译码地址线问题2：字或位扩充数据线问题第6章 输入输出接 口 9n6.2 接口n6.3 I/O接口的编码n6.1 概述第6章 输入输出接 口 106.1.1计算机为什么需要计算机为什么需要I/O接口电路接口电路由于存储器是半导体电路，与由于存储器是半导体电路，与CPUCPU具有相同的电路形式，数据具有相同的电路形式，数据信号也是相同的（电平信号），能相互兼容直接

5、使用，因此存信号也是相同的（电平信号），能相互兼容直接使用，因此存储器与储器与CPUCPU之间是同步定时工作方式。它们之间只要在时序关之间是同步定时工作方式。它们之间只要在时序关系上能相互满足就可以正常工作。系上能相互满足就可以正常工作。但是计算机的但是计算机的I/OI/O操作，复杂性主要以下几个方面：操作，复杂性主要以下几个方面：（1 1）外部设备种类繁多，既有机械式的，又有机电式的，还）外部设备种类繁多，既有机械式的，又有机电式的，还有电子式的。不同外部设备之间性能各异，对数据传送的要求有电子式的。不同外部设备之间性能各异，对数据传送的要求也各不相同的，无法按统一格式进行。也各不相同的，无

6、法按统一格式进行。（2 2）外部设备的数据信号是多种多样的）外部设备的数据信号是多种多样的。第6章 输入输出接 口 116.1.1计算机为什么需要计算机为什么需要I/O接口电路接口电路（3 3）外设的数据传送有近距离的，也有远距离的。）外设的数据传送有近距离的，也有远距离的。（4 4）外部设备的工作速度快慢差异很大。）外部设备的工作速度快慢差异很大。 所以无法实现外部设备与所以无法实现外部设备与CPUCPU进行直接的进行直接的同步同步数据传送，而数据传送，而必须在必须在CPUCPU和外设之间扩展接口电路，通过接口电路对和外设之间扩展接口电路，通过接口电路对CPUCPU与外与外设之间的数据传送进

7、行协调。因此接口电路就成了数据设之间的数据传送进行协调。因此接口电路就成了数据I/OI/O操操作的核心内容。作的核心内容。第6章 输入输出接 口 126.1.2在数据的在数据的I/O传送中，接口电路主要有如下几项功能：传送中，接口电路主要有如下几项功能：（1）速度协调 由于速度上的差异，使得数据的由于速度上的差异，使得数据的I/OI/O传送只能以传送只能以异步异步方式进行，方式进行，即只能在确认外设已为数据传送作好准备的前提下才能进行即只能在确认外设已为数据传送作好准备的前提下才能进行I/OI/O操操作。作。而要知道外设是否准备好，就需要通过接口电路产生或传送外而要知道外设是否准备好，就需要通

8、过接口电路产生或传送外设的状态，以此进行设的状态，以此进行CPUCPU与外设之间的速度协调。与外设之间的速度协调。（2）数据锁存 在接口电路中需设置锁存器，以保存输出数据直至为输出设备在接口电路中需设置锁存器，以保存输出数据直至为输出设备所接收。所接收。因此数据锁存就成为接口电路的一项重要功能。因此数据锁存就成为接口电路的一项重要功能。Handshaking第6章 输入输出接 口 136.1.2在数据的在数据的I/O传送中，接口电路主要有如下几项功能传送中，接口电路主要有如下几项功能：（3）三态缓冲 只允许当前时刻正在进行数据传送的数据源使用数据总线，其只允许当前时刻正在进行数据传送的数据源使

9、用数据总线，其它数据源都必须与数据总线处于隔离状态。它数据源都必须与数据总线处于隔离状态。为此要求接口电路能为此要求接口电路能为数据输入提供三态缓冲功能。为数据输入提供三态缓冲功能。附附: :三态缓冲电路就是具有三态输出的门电路，因此也称之为三态门三态缓冲电路就是具有三态输出的门电路，因此也称之为三态门（TSLTSL）。所谓三态，就是指低电平状态、高电平状态和高阻抗三种状）。所谓三态，就是指低电平状态、高电平状态和高阻抗三种状态。当三态缓冲器的输出为高或低电平时，就是对数据总线的驱动状态。当三态缓冲器的输出为高或低电平时，就是对数据总线的驱动状态；当三态缓冲器的输出为高阻抗时，就是对总线的隔离

10、状态（也称态；当三态缓冲器的输出为高阻抗时，就是对总线的隔离状态（也称浮动状态）。浮动状态）。在隔离状态下，缓冲器对数据总线不产生影响，犹如缓在隔离状态下，缓冲器对数据总线不产生影响，犹如缓冲器与总线隔开一般冲器与总线隔开一般。第6章 输入输出接 口 146.1.2在数据的在数据的I/O传送中，接口电路主要有如下几项功能传送中，接口电路主要有如下几项功能:（4）数据转换需要使用接口电路进行数据信号的转换。其中包括：模/数转换、数/模转换、串 / 并转换和并/ 串转换, 电平转换第6章 输入输出接 口 156.2.1接口的定义接口的定义 接口就是一组电路存储器接口存储器I/O接口I/O设备CPU

11、数据、地址、控制总线简单简单复杂复杂第6章 输入输出接 口 16 对数据传送的控制，具体为：锁存，隔离，驱动，变换，连络，定对数据传送的控制，具体为：锁存，隔离，驱动，变换，连络，定时，等作用时，等作用。6.2.3并行接口，串口行接并行接口，串口行接CPU接口外设.CPU接口外设并行串行速度快速度快,成本高成本高适合近距离适合近距离速度慢速度慢,成本低成本低适合长距离适合长距离并口串口计算机上板卡之间的通讯计算机与计算机之间的通讯第6章 输入输出接 口 17 CPUI/O设备译码数据端口状态端口控制端口DBABCB一个典型的一个典型的I/O接口接口数据口（输入数据口（输入/输出）：双向输出）：

12、双向状态口：只能由状态口：只能由CPU读入。读入。控制口：只能由控制口：只能由CPU写出。写出。每个口由译码电路分配一个唯一的地址。每个口由译码电路分配一个唯一的地址。外设经接口与总线相连，其连接必须遵循：输入要三态，输出要锁存外设经接口与总线相连，其连接必须遵循：输入要三态，输出要锁存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学习学习内容内容第6章 输入输出接 口 186.2.5端口端口（1）数据口 用于完成输入与输出数据。用于完成输入与输出数据。接口使用的数据有：接

13、口使用的数据有： （a）数字量数字量q如键盘等的二进制表示的数或如键盘等的二进制表示的数或ASCIIASCII码表示的数和字符。码表示的数和字符。 （b）模拟量模拟量q要经过要经过ADCADC和和DACDAC转换为数字量或模拟量。转换为数字量或模拟量。 （c）开关量开关量q以一位二进制表示的量。以一位二进制表示的量。第6章 输入输出接 口 196.2.5端口端口（2 2）控制口）控制口q控制口为一个输出接口，用于控制外设的启（控制口为一个输出接口，用于控制外设的启（STARTSTART）、）、停止（停止（STOPSTOP）或数据的选通（）或数据的选通（STBSTB）等，具体由外设的要）等，具体

14、由外设的要求而定。求而定。（3 3）状态口）状态口qCPUCPU通过这个端口了解外设状态。输入外设是否准备好通过这个端口了解外设状态。输入外设是否准备好（READYREADY），转换是否结束（），转换是否结束（EOCEOC）；输出装置是否忙）；输出装置是否忙（BUSYBUSY）。）。q控制信息和状态信息一般也由数据线传送。控制信息和状态信息一般也由数据线传送。第6章 输入输出接 口 206.2.6接口与端口接口与端口 接口则特指计算机与外设之间在数据传送方面的联系。其功接口则特指计算机与外设之间在数据传送方面的联系。其功能主要是通过电路实现的。因此称之为接口电路。能主要是通过电路实现的。因此称

15、之为接口电路。一个接口电路中可能包括有多个端口，例如保存数据的数据一个接口电路中可能包括有多个端口，例如保存数据的数据口、保存状态的状态口和保存命令的命令口等，因此一个接口电口、保存状态的状态口和保存命令的命令口等，因此一个接口电路就对应着多个端口地址。路就对应着多个端口地址。端口是供用户使用的，用户在编写有关数据输入端口是供用户使用的，用户在编写有关数据输入/输出程序时，输出程序时，要用到接口电路中的各个端口。要用到接口电路中的各个端口。因此要知道它们的设置和编址情因此要知道它们的设置和编址情况。况。端口才是我们要端口才是我们要打交道的对象打交道的对象接口只是一个笼统的说法接口只是一个笼统的

16、说法第6章 输入输出接 口 21nCPU与外设主要有数据、状态和控制信息需与外设主要有数据、状态和控制信息需要相互交换，于是从应用角度看内部：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q保存外设给保存外设给CPU和和CPU发往外设的数据发往外设的数据状态寄存器状态寄存器q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q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6章 输入输出接 口 22n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：q用于与用于与CPU连接连接q主要是数据、地址和控制信号主要

17、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：q用于与外设连接用于与外设连接q提供的信号五花八门提供的信号五花八门q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6章 输入输出接 口 23n接口电路核心部分往往是一块或数块大规模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）：集成电路芯片（接口芯片）：n通用接口芯片通用接口芯片q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q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

18、片面向微机系统的专用接口芯片q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6章 输入输出接 口 24n许多接口电路具有多种功能和工作方式，可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以通过编程的方法选定其中一种n接口需要进行物理连接，还需要编写接口软接口需要进行物理连接，还需要编写接口软件件n接口软件有两类：接口软件有两类：q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q数据交换程序段数据交换程序段管理、控制、驱动外设，负管理、控制、驱动外设，负责外设和系统间信息交换责外设和系统间信息交换第6章 输入输出接 口 25（1

19、1） I/O 端口单独寻址（专门I/O指令，64K端口地址） 计算机单独给外设端口编址，输入输出端口具有独立的计算机单独给外设端口编址，输入输出端口具有独立的地址空间。计算机要有控制信号区分存储器空间和地址空间。计算机要有控制信号区分存储器空间和I/O口空间口空间。q如8086/8088（a）优点：）优点：q1、I/O空间较存储器空间小，地址线少，译码电路简单；空间较存储器空间小，地址线少，译码电路简单；q2、不占用存储器空间；、不占用存储器空间；（b）缺点：）缺点：q要有专门输入输出指令，寻址方式少，不灵活。要有专门输入输出指令，寻址方式少，不灵活。6.3.1I/O端口的寻址方式端口的寻址方

20、式第6章 输入输出接 口 26（）（）I/O I/O 统一编址（存储器影像寻址）统一编址（存储器影像寻址）把一个外设端口看成存储器的一个单元，把一个外设端口看成存储器的一个单元，占用存储器的地址空占用存储器的地址空间，利用对存储器的读写操作完成数据的输入和输出。间，利用对存储器的读写操作完成数据的输入和输出。q如如M68000（a）优点：）优点：q1、不需要专门的输入输出指令；就是存储器操作指令；、不需要专门的输入输出指令；就是存储器操作指令；q2、可使用全部对存储器操作指令，指令多，方便；、可使用全部对存储器操作指令，指令多，方便；q3、端口数量多。、端口数量多。（b）缺点：）缺点：q1、占

21、用存储器空间；、占用存储器空间；q2、寻址地址线数多，译码复杂寻址地址线数多，译码复杂6.3.1I/O端口的寻址方式端口的寻址方式第6章 输入输出接 口 27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独立编址独立编址混合编址混合编址同一个地址，同一个地址，如如1000H，怎，怎么知道这个地么知道这个地址是找外设还址是找外设还是找内存呢？是找内存呢？第6章 输入输出接 口 28IOR*与与IOW*的产生的产生第6章 输入输出接 口 29内内部部数数据据总总线线外外部部数

22、数据据引引脚脚锁存控制锁存控制DCQDCQDCQ第6章 输入输出接 口 30内内部部数数据据总总线线外外部部数数据据引引脚脚锁存控制锁存控制DCQDCQDCQ读数据读数据这个信号是这个信号是CPU发出的发出的这个信号是这个信号是外设发出的外设发出的第6章 输入输出接 口 31内内部部数数据据总总线线外外部部数数据据引引脚脚选通选通缓冲器缓冲器第6章 输入输出接 口 32内内部部数数据据总总线线外外部部数数据据引引脚脚锁存控制锁存控制锁存器锁存器缓冲器缓冲器DCDCDCQQQ选通选通这个信号是这个信号是CPU发出的发出的这个信号是这个信号是外设发出的第6章 输入输出接 口 33n输入指令输入指令

23、IN AL,i8/DX;字节输入字节输入IN AX,i8/DX;字输入字输入n输出指令输出指令OUT i8/DX,AL;字节输出字节输出OUT i8/DX,AX;字输出字输出第6章 输入输出接 口 34第6章 输入输出接 口 35第6章 输入输出接 口 36nI/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码方法一样，但有它的特点：但有它的特点：q每个接口电路通常占用少数几个每个接口电路通常占用少数几个I/O地址。地址。qI/O地址不象地址不象内存内存地址，不那么强调地址的连续性。地址，不那么强调地址的连续性。q部分译码时，可能中间地址线不连接，也有最低地址线不部

24、分译码时，可能中间地址线不连接，也有最低地址线不连接的情况。连接的情况。q常采用门电路进行地址译码或线选译码常采用门电路进行地址译码或线选译码q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。q为了给系统一定的选择余地，有些接口电路采用数字比较为了给系统一定的选择余地，有些接口电路采用数字比较器、开关或跳线器等进行可选择的地址译码器、开关或跳线器等进行可选择的地址译码6.3.2I/O端口地址译码方法端口地址译码方法第6章 输入输出接 口 37 独立编址时，一般用地址线的高位部分和控制信号（如独立编址时

25、，一般用地址线的高位部分和控制信号（如RD、WR、M/IO）进行组合（译码）产生）进行组合（译码）产生I/O接口电路的片选信号接口电路的片选信号（CS），用地址线的低位部分直接连到），用地址线的低位部分直接连到I/O接口芯片实现端接口芯片实现端口的选择。口的选择。（1）逻辑门电路译码（适用口地址单一或固定的）逻辑门电路译码（适用口地址单一或固定的）（2）译码器译码（适用电路需多个口地址）译码器译码（适用电路需多个口地址）（3）比较器译码（适合口地址可变的）比较器译码（适合口地址可变的）（4）可编程逻辑器件）可编程逻辑器件PLD（适用口地址保密，可变灵活）（适用口地址保密，可变灵活）如如PAL、

26、GAL6.3.2I/O端口地址译码方法端口地址译码方法第6章 输入输出接 口 38&OOOOOOA9A8A7A3A2A1A0AENIOWLS30LS30LS32门电路译码门电路译码ABCG2AG2BG1OOA5A6A7A8A9AENIOWY0Y1Y2Y3Y4Y58237825982538255写写NMI屏蔽寄存器屏蔽寄存器写写DMA页面寄存器页面寄存器OO74LS138译码器译码译码器译码“0”“0”“0”“1”“0”“1”“1”“0”“1”第6章 输入输出接 口 39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

27、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6章 输入输出接 口 40Y0 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）第6章 输入输出接 口 41【例】设计端口地址为218

28、H的译码电路分析：CPU执行IN/OUT指令时，发出端口的地址信号 MOV DX, 218H IN AL, DX 或 OUT DX, AL对应218H端口的地址信号为（只取A9A0）： A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 (地址信号) 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 B 2 1 8 H只要满足此地址取值的译码电路均可只要满足此地址取值的译码电路均可5.2 系统总线及接口系统总线及接口第6章 输入输出接 口 42译码电路部分满足：译码电路部分满足：只当地址信号只当地址信号A9 A0为为：A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 1 0 0 0 0

29、 1 1 0 0 0即即218H时，输出时，输出“0 ” ， 使使I/O接口的接口的CS有效有效否则输出否则输出“1 ” 使使I/O接口的接口的CS无效无效地址重叠：地址重叠：6464个地址重叠个地址重叠区，如区，如218，618, A18，E18 等等等等5.2 系统总线及接口系统总线及接口第6章 输入输出接 口 435.2 系统总线及接口系统总线及接口当端口地址信当端口地址信号为：号为：A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0即即 218H时时,Y0输出输出0，I/O接接口的口的CS有效有效第6章 输入输出接 口 44【问1】 Y2

30、 Y7 译出的端口地址各是多少？【问2】将A0与A2位置互换Y1 Y7 译出的端口地址各是多少？5.2 系统总线及接口系统总线及接口【答答1】 Y2 Y7 译出的端口地址分别是译出的端口地址分别是219H21FH。【答答2】将将A0与与A2位置互换位置互换Y1 Y7 译出的译出的端口地址分别是端口地址分别是218H、21CH、21AH、21EH、219H、21DH、21BH和和21FH。第6章 输入输出接 口 45n为什么需要为什么需要I/O接口（电路）？接口（电路）？q微机的外部设备多种多样微机的外部设备多种多样q工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作速工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差别很大度方面彼此差别很大q它们不能与它们不能与CPU直接相连直接相连q必须经过中间电路再与系统相连