第8章 输入输出及接口技术

1、8.1 输入输出接口输入输出接口 8.1.1 I/O接口（端口）接口（端口） 8.1.2 I/O接口要解决的问接口要解决的问 题题 8.1.3 I/O接口的功能接口的功能 8.1.4 I/O端口的编址方法端口的编址方法 8.1.5 简单的简单的I/O接口接口8.2 输入和输出的传送方输入和输出的传送方 式式 8.2.1 程序控制的输入和程序控制的输入和 输出输出 8.2.2 中断控制的输入和中断控制的输入和 输出输出 8.2.3 直接存储器存取直接存储器存取 （DMA）方式）方式注：注：IN (I) 输入输入 ， OUT (O) 输出，输出， 端口（接口）端口（接口）第第8 8章章 输入输出接

2、口输入输出接口8.1.1 I/O信息信息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n它们不能与它们不能与CPUCPU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/OI/O接口电路接口电路多种外设多种外设 8.1.1 I/O信息信息什么是什么是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

3、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 8.1.2 I/O接口要解决的问题接口要解决的问题n速度匹配速度匹配, ,数据缓冲数据缓冲n信号电平和驱动能力信号电平和驱动能力( (电平转换器、驱动电平转换器、驱动器器) ) n信号形式匹配信号形式匹配(A/D(A/D、D/A)D/A) n信息格式信息格式( (字节流、块、数据包、帧字节流、块、数据包、帧) ) n时序匹配时序匹配( (定时关系定时关系) )n总线隔离总线隔离( (三态门三态门) )n译

4、码选址，多个端口译码选址，多个端口n可编程功能，具备不同的功能（发展趋势）可编程功能，具备不同的功能（发展趋势）n错误检测错误检测8.1.3 I/O接口的功能接口的功能 I/O地址译码与设备选择地址译码与设备选择 把选中的与总线相接，未选中的与总线隔离把选中的与总线相接，未选中的与总线隔离（高阻态）（高阻态） 信息的输入输出信息的输入输出 命令、数据和状态的缓冲、隔离和锁存命令、数据和状态的缓冲、隔离和锁存 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，

5、输入锁存缓冲环节输出锁存缓冲环节，输入锁存缓冲环节 信息转换信息转换 微机直接处理：微机直接处理：数字量数字量、开关量开关量、脉冲量脉冲量典型的并行接口和外部设备连接如图所示。图中的并典型的并行接口和外部设备连接如图所示。图中的并行接口用一个通道和输入设备相连，用另一个通道和行接口用一个通道和输入设备相连，用另一个通道和输出设备相连，每个通道中除数据线外均配有一定的输出设备相连，每个通道中除数据线外均配有一定的控制线和状态线。控制线和状态线。8.1.3 I/O接口的功能接口的功能控制总线控制总线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

6、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这些寄存器就是这些寄存器就是I/OI/O端口，每个端口都有自己的地址端口，每个端口都有自己的地址端口（端口（PORTPORT）n端口泛指端口泛指I/OI/O地址，通常对应寄存器；地址，通常对应寄存器；n一个接口电路可以具有多个一个接口电路可以具有多个I/OI/O端口，每个端口端口，每个端口用来保存和交换不同的信息；用来保存和交换不同的信息；n数据端口、状态端口和控制

7、端口占有的数据端口、状态端口和控制端口占有的I/OI/O地址地址也可依次称为数据寄存器、状态寄存器和控制也可依次称为数据寄存器、状态寄存器和控制寄存器，用于保存数据、状态和控制信息；寄存器，用于保存数据、状态和控制信息；n输入、输出端口可以是同一个输入、输出端口可以是同一个I/OI/O地址。地址。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：数据输入端口数据输入端口n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

8、寄存器：状态端口状态端口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：控制端口控制端口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、地址和控制信号面向外设一侧主要是数据、地址和控制信号面向外设一侧的信号：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

9、分往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

10、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8.1.4 I/O端口的编址方法端口的编址方法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8086nI/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

11、一个地址空间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

12、端口要占去部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00000FFFFF 8086的输入输出指令的输入输出指令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,AX;

13、字输出，直接寻址字输出，直接寻址OUT DX,AX;字输出，间接寻址字输出，间接寻址演示演示演示演示8086/8088的I/O指令（1）直接端口寻址方式）直接端口寻址方式n对于端口对于端口PORT的地址范围是的地址范围是8位，即位，即00HFFHIN AL, PORT;端口端口PORT的字节信息送的字节信息送ALOUT PORT, AL;将将AL的数据信息送到端口的数据信息送到端口PORTIN AX, PORT;端口端口PORT的字信息送的字信息送AX, 即端口即端口 ; PORT的字节信息送的字节信息送AL，端口端口 ; PORT+1的字节信息送的字节信息送AHOUT PORT, AX;将将

14、AX的字信息送端口，即的字信息送端口，即AL送端送端 ;口口PORT，AH送端口送端口PORT+18086/8088的I/O指令n（2）间接端口寻址方式）间接端口寻址方式n 对于端口地址大于对于端口地址大于8位时，必须用间接端口寻址方式：位时，必须用间接端口寻址方式：IN AL, DX；从从DX所表示的端口输入字节数据到所表示的端口输入字节数据到ALOUT DX,AL ；将将AL中的数据输出到以中的数据输出到以DX表示的端口表示的端口IN AX, DX；从从DX所表示的端口输入字数据到所表示的端口输入字数据到AX，即即DX ；端口的字及到；端口的字及到AL，DX+1端口的字节到端口的字节到AH

15、OUT DX,AX ；将将AX的字数据输出到以的字数据输出到以DX表示的端口，即表示的端口，即 ； AL输出到输出到DX端口，端口，AH输出到输出到DX+1 8.1.5 简单的简单的I/O接口接口1三态缓冲器，三态缓冲寄存器三态缓冲器，三态缓冲寄存器三态，是指电路输出端具有三种稳态，即三态，是指电路输出端具有三种稳态，即1态态(高高电平状态电平状态)，0态态(低电平状态低电平状态)和第三态和第三态高阻高阻态态(或称浮空态或称浮空态)。 可编程接口电路的一般结构图数据线控制线状态线DBCBAB数据输入寄存器(or 三态门)数据输出寄存器(锁存器)状态寄存器(or 三态门)命令寄存器译码电路控制逻

16、辑接外设接主机74LS244引脚及内部结构引脚及内部结构数据输入三态缓冲器数据输入三态缓冲器 三态缓冲器构成三态缓冲器构成输入输入接口接口8个数据输出端个数据输出端Y,与微机数据总线连接与微机数据总线连接; 8个数据输入端个数据输入端A,与外设连接与外设连接;数据允许端数据允许端1G,2G,将数据从将数据从AY;执行执行IN指令时，指令时，CPU发出读指令，发出读指令，将数据经三态缓冲器加到将数据经三态缓冲器加到AL。 8D触发器-74LS273数据数据输出输出寄存器寄存器8 个数据输入端个数据输入端1D-8D与数据总线连接与数据总线连接8个数据输出端个数据输出端1Q-8Q与外设连接。与外设连

17、接。CLK上升沿时数据写入，下降沿可以清除上升沿时数据写入，下降沿可以清除执行执行OUT指令时，指令时，CPU发出指令，将发出指令，将AL中的数据写入该触发器，等待输出。中的数据写入该触发器，等待输出。 8.2 输入输出的输入输出的传送传送方式方式 l 无条件传送方式l程序控制的输入输出l中断中断控制的输入输出控制的输入输出l直接存储器存取直接存储器存取DMA (Direct Memory Access)外设数据形式非常多，外设速度也非常多，因此，数据传送的关键在于如何进行控制。8.2.1 程序控制的输入输出程序控制的输入输出 无条件传送方式无条件传送方式，同步传送，同步传送n适用于总是处于准

18、备好状态的外设，不需要检查判适用于总是处于准备好状态的外设，不需要检查判断断n以下外设可采用无条件传送方式：以下外设可采用无条件传送方式：n开关开关n发光器件发光器件(如发光二极管、如发光二极管、7段数码管、灯泡等段数码管、灯泡等)n继电器继电器n步进电机步进电机n优点：软件及接口硬件简单优点：软件及接口硬件简单n缺点：只适用于简单外设，适应范围较窄缺点：只适用于简单外设，适应范围较窄流流程程播播放放无条件传送：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, DX

19、74LS244+5V10K x 8G1 G2数据总线数据总线CSRD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CSWR8.2.1 程序控制的输入输出程序控制的输入输出 查询传送方式查询传送方式nCPU需要先测试（查询）外设的工作状需要先测试（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）实现数据

20、输入或输出（就绪）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点是：工作可靠，适用面宽，但传送效率低宽，但传送效率低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

21、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8.2.1 程序控制的输入输出程序控制的输入输出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IORSTB MOV 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TESE 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

22、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 查询输入接口查询输入接口8.2.1 程序控制的输入输出程序控制的输入输出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INX DX;D70，就绪，就绪，DX指向数据端口指向数据端口M

23、OV 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查询输出接口查询输出接口8.2.2 中断控制的输入和输出中断控制的输入和输出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。流程流程程序控制电路简单，清楚程序

24、控制电路简单，清楚但是要不断测试，只能串行但是要不断测试，只能串行工作效率低。工作效率低。8.2.2 中断控制的输入和输出中断控制的输入和输出n中断传送是一种效率更高的程序传送中断传送是一种效率更高的程序传送方式方式n进行传送的进行传送的中断服务程序是预先设计中断服务程序是预先设计好的好的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：一般是在每条指令的最后一个时钟周期采是在每条指令的最后一个时钟周期采样中断请求输入引脚样中断请求输入引脚 8.2.2 中断控制的输入和输出中断控制的输入和输出8.2.2 中断控制的输入和输出

25、中断控制的输入和输出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8.2.3 直接存储器存取直接存储器存取 (DMA)方式方式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D

26、MA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、快速数据传送送多种多样的外设n工作原理不同工