微机原理6-基本输入输出接口

1、12第6章 基本输入输出接口n教学重点教学重点n I/O接口电路的典型结构接口电路的典型结构n 无条件传送方式无条件传送方式n 查询传送方式查询传送方式n 中断工作过程中断工作过程36.1 I/O接口概述I/O设备有哪些？设备有哪些？为什么需要为什么需要I/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，必须经过中间电直接相连，必须经过中间电路再与系统相连路再与系统相连46.1 I/O接口概述（续1）n什么是什么是I/

2、O接口（电路）？接口（电路）？nI/O接口是位于系统与外设间、用来协助完成数据传送和控制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任务的逻辑电路n主板上的可编程接口芯片、主板上的可编程接口芯片、I/O总线插槽的接口卡电路板（适总线插槽的接口卡电路板（适配器配器adapter）都是接口电路）都是接口电路n接口一般还需要软件支持（编程）：接口一般还需要软件支持（编程）：初始设置，工作驱动初始设置，工作驱动56.1 I/O接口概述（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根据应用系统的需要，根据应用系统的需要，使

3、用或构造相应的接使用或构造相应的接口电路口电路，编制配套的接口程序编制配套的接口程序66.1.1 I/O接口的主要功能 对输入输出数据进行对输入输出数据进行缓冲缓冲 驱动、隔离驱动、隔离和和锁存锁存 对信号的形式和对信号的形式和数据的格式数据的格式进行变换进行变换 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，而外设工作信号而外设工作信号可能是如高电压、大电流的模拟信号，需要进行信号变换。可能是如高电压、大电流的模拟信号，需要进行信号变换。 对对I/O端口进行寻址端口进行寻址 一个外设可以有多个端口一个外设可以有多个端口 与与CPU和和I/O设备进行联络设备进行联络

4、外设状态，控制信号，外设请求外设状态，控制信号，外设请求76.1.2 I/O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8I/O接口的典型结构1. 接口电路的接口电路的内部结构内部结构2. 接口电路的接口电路的外部特性外部特性3. 接口芯片的接口芯片的分类分类4. 接口芯片的接口芯片的可编程性可编程性91. 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，

5、于是从应用角度看内部： 数据寄存器数据寄存器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 状态寄存器状态寄存器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102. 接口电路的外部特性n面向面向CPU一侧的信号（比较统一）：一侧的信号（比较统一）：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（与主要是数据、地址和控制信号（与M类似）类似）n面向外设一侧的信号面向外设一侧的信号(各不相同）：各不相同）：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

6、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113. 接口芯片的分类n接口电路核心部分往往是一块或数块大规模集成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（电路芯片（接口芯片接口芯片）：）：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，如支持通用的数据输入输出和控制的接口芯片，如8255n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，如针对某种外设设计、与该种外设接口，如8279（键盘（键盘/显示器接口芯片显示器接口芯片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

7、体功能，如和系统配套使用，以增强其总体功能，如8259(中断控制器），中断控制器），8237（DMA控制器），控制器），8253（定（定时时/计数器）计数器）124. 接口电路的可编程性（Programmable）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；可以通过编程的方法选定其中一种；n多数接口不仅需要进行物理连接，还需要多数接口不仅需要进行物理连接，还需要编写接口软件；编写接口软件；n其工作方式和内部资源可通过编程加以控其工作方式和内部资源可通过编程加以控制，因此为接口设计和应用提供了更大的制，因此为接口设计和应用提供了更大的

8、灵活性。灵活性。136.1.3 I/O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8086/8088nI/O端口与存储器统一编址端口与存储器统一编址n它们共享一个地址空间它们共享一个地址空间n如如M6800（Motrola）14I/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控制和地址译码电路相对简单简单n专门的专门的I/O指令使程序清指令使程序清晰易读晰易读n缺点：缺点：nI/O指令没有存储器指令指令没有存储

9、器指令丰富丰富80 x86采用采用I/O端口独立编址，端口独立编址，参见参见P14内存内存空间空间I/O空间空间FFFFF0FFFF015I/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据数据存取与存储器数据存取一样灵活存取一样灵活n缺点：缺点：nI/O端口要占去部分存储器端口要占去部分存储器地址空间地址空间n程序不易阅读（不易分清程序不易阅读（不易分清访存和访问外设）访存和访问外设）内存内存部分部分I/O部分部分存储空间0FFFFF166.1.4 8088/8086的输入输出指令n输入指令输入指令IN AL,i8/DX ; 字节输入字

10、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176.1.5 I/O地址的译码nI/O地址的译码方法与存储器地址的译码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：方法一样，但有它的特点：n允许允许“浪费浪费”n不强调地址的连续性，因为各外设的操作相不强调地址的连续性，因为各外设的操作相对独立，且访问频率远低于存储器对独立，且访问频率远低于存储器例例：书：书P157，图，图6-218用门电路实现I/O地址译码A9A8A7A6A5A2A4A3AENA1A074LS30(8输入与非门）

11、输入与非门）I/O地址地址3E7HA9-A0：1111100111B19n用用跳线跳线和和拨动开关拨动开关设置接口地设置接口地址的例子（址的例子（P158）20IBM PC/XT主机板的I/O译码电路Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5Y6 Y7A5A6 A7A8A9 -AEN-IOWAB C-E1-E2E3-DMA 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）接口芯片内部译码接口芯片内部译码A0A4-AEN:DMA地址有效21IB

12、M PC/AT主机板的I/O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A5A6A7A8A9138译码器译码器HLDAMASTERABCE1-E2-E3Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7HLDA和MASTER有效，表示别的设备控制总线，CPU不能寻址I/O226.1.6 CPU与外设的数据传送方式n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执行程序中执行程序中的的I/O指令来完成传送，又分为：指令来完成传送，又分

13、为：n无条件传送无条件传送n查询传送查询传送n中断传送中断传送n直接存储器存取直接存储器存取（DMA）传送请求由外设传送请求由外设向向DMA控制器（控制器（DMAC）提出，后者向）提出，后者向CPU申申请总线，最后请总线，最后DMAC利用系统总线来完成外设和利用系统总线来完成外设和存储器间的数据传送存储器间的数据传送nI/O处理机处理机CPU委托专门的委托专门的I/O处理机来管理处理机来管理外设，完成传送和相应的数据处理外设，完成传送和相应的数据处理236.2 无条件传送方式及其接口n在在CPU与慢速变化的设备交换数据时，可以认为与慢速变化的设备交换数据时，可以认为它们总是处于它们总是处于“就

14、绪就绪”状态，随时可以进行数据状态，随时可以进行数据传送，这就是传送，这就是无条件传送无条件传送，或称，或称立即传送、同步立即传送、同步传送传送n适合于简单设备，如适合于简单设备，如LED 数码管、按键数码管、按键/按钮等按钮等n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n这种传送有前提：外设必须随时处于就绪状态这种传送有前提：外设必须随时处于就绪状态传送传送流程流程接口接口实例实例24无条件传送：输入示例IOR三三态态缓缓冲冲器器OEI/O装装置置地地址址译译码码器器CSD7D0A15A1A00160HMOV DX, 160HIN AL, DX25无条件传送：输入示例M

15、OV DX, 160HIN AL, DX74LS244+5V10K x 8G1 G2数据总线数据总线CSRD26无条件传送：输出示例地地址址译译码码器器数数据据锁锁存存器器A15A0A14-IOWCS0160H输输出出设设备备D7D0MOV DX, 160HMOV AL, BXOUT DX, AL27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CSWR28无条件传送：输入输出接口K7K1K0+5VD0D7A0A15CLK74LS06反相反相驱动器驱动器74LS2738D锁存器锁存器74LS244

16、三态三态缓冲器缓冲器8000H译码译码+5VLED0LED7-G-IOW-IOR两个端口地址共用8000H，怎么区分？29无条件传送：输入输出接口mov dx,8000h;DX指向数据端口指向数据端口next: 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;重复重复程序执行效果？K0闭合，LED0亮还是灭？306.3 查询传送方式及其接口nCPU先了解（查询）外设的工作状态，先了解（查询）外设的工作状态，在外设在外设就绪就绪（可以交换信息）的情况下（

17、可以交换信息）的情况下实现数据的输入或输出实现数据的输入或输出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（依次查询（轮询轮询）。先查询的外设将优）。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31查询传送的两个环节n查询环节查询环节n寻址寻址状态口状态口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n传送环节传送环节n寻址寻址数据口数据口n是输入，通过输入指令从数据口读入数据是输入，通过输入指令从数据口

18、读入数据n是输出，通过输出指令向数据口输出数据是输出，通过输出指令向数据口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传送流程传送流程接口实例接口实例326.3.1 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 A0A158000H8001HD0D7D0输入输入设备设备-IOR-STB-RQD33查询输入接口 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 test al,01h ;测试标志位测试标志位D0（al & 01h) jz status ;D00，未就

19、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口in al,dx ;从数据端口输入数据从数据端口输入数据346.3.2 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-ACK-IOW-IOR输出输出设备设备状态口35查询输出接口mov 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

20、 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366.4 中断传送方式程序程序断点断点主程序主程序中断请求中断请求为为外外设设继继续续执执行行返回断点返回断点传送流程传送流程nCPU在执行程序在执行程序中，被内部或外中，被内部或外部的事件所打断，部的事件所打断，转去执行一段预转去执行一段预先安排好的中断先安排好的中断服务程序；服务程序；n服务结束后，又服务结束后，又返回原来的断点，返回原来的断点，继续执行原来的继续执行原来的程序程序提提供供服服务务中断服务程序中断服务程序入口入口3

21、76.4.1 中断传送与接口n中断传送是一种效率更高的程序传送方式；中断传送是一种效率更高的程序传送方式；n中断过程的完成由中断过程的完成由中断系统中断系统（硬件，如（硬件，如8259和和CPU）和）和中断服务程序（软件）中断服务程序（软件）共共同控制完成；同控制完成；n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，其入口地址已知；其入口地址已知；n中断请求是外设中断请求是外设随机随机向向CPU提出的（时间提出的（时间随机）；程序执行到何位置（断点）也是随随机）；程序执行到何位置（断点）也是随机的（地点随机）；机的（地点随机）；38n中断可能来自中断可能来自CPU

22、内部，也可能来自内部，也可能来自CPU外外部部n外部中断可分为外部中断可分为可屏蔽中断可屏蔽中断和和不可屏蔽中断不可屏蔽中断 可屏蔽中断：可屏蔽中断：INTR引入；引入；-INTA响应。响应。CPU可通过设置可通过设置IF=1（开中断）（开中断） 和和IF=0（关中断）决定是否响应。（关中断）决定是否响应。 不可屏蔽中断：不可屏蔽中断：NMI。必须响应，直接激活中服，如电源掉必须响应，直接激活中服，如电源掉电、奇偶校验出错、浮点运算出错等。电、奇偶校验出错、浮点运算出错等。39nCPU对中断请求的检测是有规律的：对中断请求的检测是有规律的：一般是一般是在每条指令的最后一个时钟周在每条指令的最后

23、一个时钟周期期采样中断请求输入引脚采样中断请求输入引脚n本章主要论述本章主要论述中断在输入和输出方面中断在输入和输出方面的应用：即中断传送的应用：即中断传送n中断还有着非常广泛的应用，如程序中断还有着非常广泛的应用，如程序调试（软中断）等；调试（软中断）等；时钟时钟中断：多道程序并中断：多道程序并发执行的推动力发执行的推动力40三态三态缓冲器缓冲器中断输入接口（向量中断）D0D7+5V8D锁存器锁存器8位位三态三态缓冲器缓冲器RQ 译码译码8001H中断向量号（中断向量号（8259提供）提供）D0D7INTRD输入输入设备设备中断允许中断允许触发器触发器A0A15中断请求中断请求触发器触发器-

24、IOR-INTA-STB数据口1、数据准备好，产生中断请求信号2、CPU响应中断，接收中断向量号3、根据中断向量，找到中服程序，读取数据41？中断向量如何获取n中断向量表：在内存的中断向量表：在内存的前前1K字节字节，可容纳，可容纳256个中断向量；每个中断向量占用个中断向量；每个中断向量占用4个字节个字节，用于存储对应中断源的用于存储对应中断源的服务程序入口地址服务程序入口地址。一部分为系统保留，其余用户可用，可作为一部分为系统保留，其余用户可用，可作为外部中断源向量。每个中断向量，外部中断源向量。每个中断向量，即一个即一个1字字节的中断类型码（节的中断类型码（00HFFH），比如），比如8

25、8H。426.4.2 中断工作过程（可屏蔽）n中断请求中断请求（外设）（外设）n中断响应（中断响应（CPU）n关中断（关中断（CPU）n断点保护（断点保护（CPU）n中断识别中断识别（硬件硬件/软件软件）n现场保护现场保护（用户）（用户）n中断服务中断服务（用户）（用户）n恢复现场恢复现场（用户）（用户）n开中断（开中断（CPU/用户）用户）n中断返回（中断返回（IRET，用，用户）户）中断服务是进行数据交中断服务是进行数据交换的实质性环节换的实质性环节43CPU响应中断的条件n中断请求时，没有更高级别的请求发生，如中断请求时，没有更高级别的请求发生，如RESET、HOLD、NMI等；等；n中

26、断请求应保持到它被响应为止；中断请求应保持到它被响应为止；44断点保护与现场保护的不同n断点保护是断点保护是CPU自动完成的，保护内容有：自动完成的，保护内容有：FLAGS、CS、IP等；等；n现场保护：用户根据需要在程序中施行，用现场保护：用户根据需要在程序中施行，用PUSH。456.4.3 中断识别和中断优先权处理问题问题1： CPU如何识别中断源？如何识别中断源？一个中断源一个中断源： 向量中断（硬件）向量中断（硬件）P164，图，图6-12多个中断源多个中断源： 中断查询（软中断查询（软/硬件结合）硬件结合）中断源的识别中断源的识别46中断查询接口A0A15锁锁存存器器INTR三态三态

27、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C中断中断H-IOR软件流程见图6-14中服程序依次查询中断A-H，看有否发出申请，先查的优先级高476.4.3 中断优先权（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？硬件方案硬件方案1：链式优先权排队电路链式优先权排队电路2：优先权编码电路优先权编码电路中断中断优先级优先级排队排队48链式中断优先权排队电路A2A1C2C1D2D1B2B1中断源中断源A触发器触发器中断源中断源B触发器触发器中断源中断源C触发器触发器中断矢量中断矢量D中断矢量中断矢量C中断矢量中断矢量B中断矢量中断矢

28、量A中断源中断源D触发器触发器缓冲器缓冲器缓冲器缓冲器缓冲器缓冲器缓冲器缓冲器-INTA高优先级INTRD0D71、产生请求信号2、关闭B23、送出中断矢量49中断优先权编码电路比较器失效信号比较器失效信号（当前无中断服务时有效）（当前无中断服务时有效）比较器比较器8:3优先权优先权编码器编码器优先权优先权寄存器寄存器D0D721AB中断请求中断请求0中断请求中断请求1中断请求中断请求2A0A1A2INTRB0B1B2有中断请求有中断请求中断请求中断请求7低优先权记录正在服务的中断编码，若无，则输出比较器失效信号50 设中断源设中断源2有中断请求，有中断请求，n1、若当前没有中断服务、若当前没

29、有中断服务n2、当前正在服务的是中断源、当前正在服务的是中断源1（优先级高于（优先级高于2）n3、当前正在服务的是中断源、当前正在服务的是中断源5（优先级低于（优先级低于2）516.4.3 中断优先权（续2）问题问题3：中断处理过程中，：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？办法办法1：链式优先权排队电路链式优先权排队电路办法办法2：优先权编码电路优先权编码电路中断嵌套中断嵌套526.5 DMA传送方式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：不经：不经CPU

30、，不用指令，不用指令 外设外设存储器存储器（DMA写写） 外设外设存储器存储器（DMA读读）nCPU出让系统总线（输出高阻），由出让系统总线（输出高阻），由DMA控制器控制器（DMAC）接管系统总线）接管系统总线53DMA传送特点：nDMAC同时访问存储器和同时访问存储器和I/O设备；设备；n对一个对象读，必然对另一个对象写；对一个对象读，必然对另一个对象写；n只对存储单元进行寻址，对只对存储单元进行寻址，对I/O端口不寻址。端口不寻址。54DMA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、外设、DMAC、CPU， 3者通过应答信号建立者通过应答信号建立联系

31、：联系：CPU将总线暂交将总线暂交DMAC控制，事后再将控制，事后再将控制权收回。控制权收回。 DMA传送传送nDMA读读：存储器：存储器 外设外设nDMA写写：存储器：存储器 外设外设 DMAC的功能：的功能：n对存储器寻址地址动加对存储器寻址地址动加1/减减1n计数器减计数器减1n判断传送是否完成判断传送是否完成传送流程传送流程55DMA传送（ 以DMA 写为例）-MEMW-IOR数据总线数据总线地址总线地址总线输输入入设设备备存存储储器器DMACCPUHOLDHLDA56DMA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57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：