微机原理与接口技术：5.1至5.3-自动化智能测控-输入与输出接口技术

第5章

输入与输出接口技术5.1接口技术的基本概述为什么需要I/O接口（电路）？微机的外部设备多种多样工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差别很大它们不能与CPU直接相连必须经过中间电路再与系统相连CPU多种外设输入输出设备（I/O设备）中间电路5.1.1接口的概述与功能多种多样的外设工作原理不同机械、电子、机电、电磁……传送信息类型多样数字量、模拟量、开关量传送速度差别极大传送方式不尽相同串行、并行编码方式不同二进制、BCD码、ASCII码……返回什么是I/O接口（电路）？I/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任务的逻辑电路。CPU输入输出设备（I/O设备）中间电路接口电路（I/O接口）什么是微机接口技术？处理微机系统与外设间联系的技术采用软件与硬件相结合的方式。硬件部分是根据应用系统的需要，使用和构造相应的接口电路；软件部分是控制这些电路按要求工作的驱动程序。I/O接口应具备的功能数据的寄存与缓冲功能信号转换功能设备选择功能对I/O设备的控制与检测功能中断及DMA控制功能可编程功能5.1.2CPU与I/O接口间的信息类型数据信息在微型计算机系统中，数据信息通常包括数字量（例如键盘、显示器等）、模拟量（现场物理量，例如温度、压力等）和开关量（例如开关的断开与闭合、机器的运转与停止等）三种类型。状态信息状态信息作为一种CPU与I/O之间的接口信号，主要用来反映输入输出设备当前的状态。输入时，主要反映输入设备是否准备好。若准备好，则状态信息为Ready，CPU输入信息，否则CPU等待；输出时，反映输出设备是否处于空闲状态，如为忙Busy，则CPU等待；如为空闲Empty，则CPU输出信息。控制信息控制信息是CPU通过I/O接口传送给外部设备的，是向外部设备传送的控制命令，专门用来控制I/O设备的操作。例如外设的启动信号和停止信号就是最常见的控制信息，实际上，控制信息往往随外设的工作原理不同而含义不同。接口电路中，三种信息在不同寄存器中分别存放。I/O接口CPU外设数据总线DB数据线状态线控制线控制端口数据端口状态端口地址总线AB低位地址控制总线CBI/O接口的典型结构(补充)（p160图5-2）地址译码高位地址内部地址译码1.接口电路的内部结构2.接口电路的外部特性3.接口电路芯片的分类4.接口电路的可编程性1.接口电路的内部结构（端口）I/O端口是接口电路中能被CPU直接访问（读/写）的寄存器。每个端口都有一个地址。所谓外部设备的地址，实际上是该设备接口内各端口的地址，一台外部设备可以拥有几个通常是相邻的端口地址。CPU正是通过这些端口与I/O设备进行通信。一个接口电路可以具有多个I/O端口（寄存器），每个端口用来保存和交换不同的信息（前面叙述的数据、状态、控制信息）。根据保存的信息类型不同，将I/O接口电路中的端口分为三类：数据端口、状态端口和控制端口。数据端口：数据端口可分为数据输入端口和数据输出端口两类。在输入时，由数据输入端口保存外设发往CPU或内存的数据；在输出时，由数据输出端口保存CPU或内存发往外设的数据。有了数据端口，就可以在高速工作的CPU与慢速工作的外设之间起协调与缓冲作用。状态端口：状态端口用来保存I/O设备或接口部件本身的工作状态信息，让微处理器了解数据传送过程中正在发生或最近已发生的状态。控制端口：控制端口用来存放处理器发来的控制命令与其它信息，确定接口电路的工作方式和功能，便于控制接口电路和I/O设备的动作。一定要理解端口、接口的区别2.接口电路的外部特性主要体现在引脚上，分成两侧信号。面向CPU一侧的信号：用于与CPU连接。主要是数据、地址和控制信号。CPU通过数据总线DB传送端口中的数据信息（双向）、状态信息（读）、控制信息（写）。面向外设一侧的信号：用于与外设连接。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。端口中的数据信息与I/O设备为双向传送、端口中的状态信息由I/O设备传送、端口中的控制信息传送至I/O设备。注意三类信息的传送方向。3.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模集成电路芯（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、与该种外设接口面向微机系统的专用接口芯片与CPU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。接口需进行物理连接，还需编写接口软件。接口软件有两类：初始化程序段——设定芯片工作方式等。数据交换程序段——管理、控制、驱动外设，负责外设和系统间信息交换。I/O地址的译码（补充）

I/O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：8088/8086CPU能够寻址的内存空间为1MB，所以要用到20根地址总线，其中高位（A19-Ai）用于确定芯片的地址范围，而低位（Ai-A0）用于片内寻址；而8088/8086CPU能够寻址的I/O端口仅为64K（65535）个，所以只需用地址总线的低16位信号线，实际在PC/XT/AT机中只用到了低10位地址线（A9-A0）。当8086CPU工作在最大（最小）模式时，对存储器的读写要求控制信号MDCR（RD）或MWTC（WR）有效；如果是对I/O端口读写，则要求控制信号IORC（RD）或IOWC（WR）有效。同时，CPU在寻址内存和外设时，使用不同的控制信号来区分当前是对内存操作还是对I/O端口进行操作。例如，8086最小工作模式下的M/IO控制线，当M/IO=0时，访问I/O端口；当M/IO=1时，访问内存单元。5.1.3端口的编址方式接口电路占用的I/O端口有两类编排形式I/O端口单独编址（I/O映射方式）I/O地址空间独立于存储地址空间如8086/8088I/O端口与存储器统一编址（存储器映射方式）它们共享一个地址空间如M6800I/O端口与存储器统一编址优点：不需要专门的I/O指令I/O数据存取与存储器数据存取一样灵活缺点：I/O端口要占去部分存储器地址空间程序不易阅读（不易分清访存和访问外设）存储器空间内存部分I/O部分0FFFFFH00000HI/O端口单独编址优点：I/O端口的地址空间独立，不占用存储器地址；地址线较少，控制和地址译码电路相对简单，且寻址速度相对较快；专门的I/O指令使程序清晰易读。缺点：I/O指令没有存储器指令丰富，导致程序设计的灵活性较差；需要存储器和I/O端口两套控制逻辑，增加了控制逻辑的复杂性。内存空间I/O空间0FFFFFH00FFFFH80x86采用I/O端口独立编址8086通过输入输出指令（IN、OUT）与外设进行数据交换；呈现给程序员的外设是端口（Port）地址，即I/O地址同时，CPU在寻址内存和外设时，使用不同的控制信号来区分当前是对内存操作还是对I/O端口进行操作。例如，8086最小工作模式下的M/IO控制线，当M/IO=0时，访问I/O端口；当M/IO=1时，访问内存单元。8086用于寻址外设端口的地址线为16条，端口最多为216＝65536（64K）个，端口号为0000H-FFFFH。每个端口用于传送一个字节的外设数据。8088/8086的输入输出指令输入指令（IN：将外设数据传送给CPU内的AL/AX）INAL,i8 ;字节输入INAL,DX ;字节输入INAX,i8 ;字输入INAX,DX ;字输入输出指令（OUT：将CPU内的AL/AX数据传送给外设）OUTi8,AL ;字节输出OUTDX,AL ;字节输出OUTi8,AX ;字输出OUTDX,AX ;字输出演示演示8088/8086I/O寻址方式8088/8086的端口有64K个，无需分段，设计有两种寻址方式直接寻址：只用于寻址00H-FFH前256个端口，操作数i8表示端口号间接寻址：可用于寻址全部64K个端口，DX寄存器的值就是端口号对大于FFH的端口只能采用间接寻址方式8088/8086I/O数据交换方式如果输入输出一个字节，利用AL寄存器如果输入输出一个字，利用AX寄存器输入一个字，实际上是从连续两个端口输入两个字节，分别送AL（对应低地址端口）和AH（对应高地址端口）输出一个字，实际上是将AL（对应低地址端口）和AH（对应高地址端口）两个字节的内容输出给连续两个端口INAL,21H返回OUT43H,AL返回5.2I/O传送方式无条件传送方式查询传送方式中断传送方式DMA方式按照传送控制方式的不同，CPU与I/O接口的信息传送方式通常包括：CPU多种外设输入输出设备（I/O设备）接口电路（I/O接口）通过CPU执行程序中的I/O指令来完成传送，属于程序控制传送方式。

INAL，数据端口OUT数据端口，ALI/O接口的典型结构（p160图5-2）1.接口电路的内部结构2.接口电路的外部特性返回I/O接口CPU外设数据总线DB数据线状态线控制线控制端口数据端口状态端口地址总线AB低位地址控制总线CB地址译码高位地址内部地址译码7.3.1无条件传送方式无条件传送是最简单的传送方式，该方式默认外设始终处于准备好状态(就绪)，CPU输入输出前不需要查询外设的工作状态，任何时候都可访问。这种传送有前提：在无条件传送方式中，数据的交换总是同I/O指令的执行同步，所以该方式也称作同步传送方式。适合于简单设备，如开关、发光二极管、按键等。其接口非常简单，接口中一般只需数据端口。传送流程演示外设必须随时就绪M/IO无条件传送输入接口电路示例MOV DX,284HINAL,DX将输入设备的数据（开关状态）读入CPU内AL寄存器中。输入接口器件一般选择三态门缓冲器8086最小模式最大模式下为IORC引脚无条件传送输出接口电路示例MOVDX,288HMOVAL,81HOUTDX,ALCPU内AL中的数据81H送至输出设备输出接口器件一般选择锁存器最大模式下为IOWC引脚8086最小模式无条件传送输入输出接口实例K7K1K0+5VD0～D7A0～A15CLKLS06反相驱动器LS2738D锁存器LS244三态缓冲器8000H译码+5VLED0LED7……GRDWRM/IONEXT: MOVDX,8000H ；DX指向数据端口

INAL,DX

；从输入端口读开关状态

NOTAL

；反相

OUTDX,AL

；送输出端口显示

CALLDELAY ；调子程序延时

JMPNEXT ；重复缺点：采用无条件传送方式要求外设必须随时就绪，CPU与外设必须同步，但对许多外设，这种条件是很难具备的。7.3.2查询传送方式

CPU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（就绪）实现数据输入或输出。为了使CPU能够查询到外设的状态，外设需要提供一个专门的状态端口用来存放状态信息供CPU查询。因此，查询传送方式接口中必有状态端口和数据端口。通常，数据端口和状态端口有不同的端口地址。对多个外设的情况，则CPU按一定顺序依次查询（轮询）。先查询的外设将优先进行数据交换。查询传送的两个环节输入状态就绪？数据交换YN传送流程演示⑴查询环节寻址状态端口。读取状态寄存器的标志位。判断。若就绪，进入传送环节；若不就绪就继续查询，直至就绪⑵传送环节寻址数据端口是输入，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查询输入接口状态信号（是否ready）最大模式下为IORC引脚最大模式下为IORC引脚RD+5V8D锁存器8位三态缓冲器1位三态缓冲器RQ

A0～A158000H8001HD0～D7D0D输入设备M/IOSTB译码

MOVDX,8000H；DX指向状态端口STATUS:INAL,DX ；读状态端口

TESTAL,01H ；测试标志位D0 JZSTATUS ；D0＝0，未就绪，继续查询

INCDX ；D0＝1，就绪，DX指向数据端口

INAL,DX ；从数据端口输入数据查询输出接口8D锁存器1位三态缓冲器RQ

D7D+5V输出设备ACKRD译码A0～A158000H8001HD0～D7M/IOWR最大模式下为IOWC引脚最大模式下为IORC引脚状态信号（是否ready）

MOVDX,8000H；DX指向状态端口STATUS:INAL,DX

；读取状态端口的状态数据

TESTAL,80H

；测试标志位D7 JNZSTATUS ；D7＝1，未就绪，继续查询

INCDX ；D7＝0，就绪，DX指向数据端口

MOVAL,BUF ；变量buf送AL

OUTDX,AL

；将数据输出给数据端口缺点：1、在程序查询传送方式中，CPU要不断查询输入输出系统的状态。若外设没准备好，CPU就必须等待，不能干其它工作，CPU与外设之间是一种交替进行的串行工作方式。这对CPU资源的使用造成很大浪费，工作效率低，使整个系统性能下降。2、CPU在对多个外设以查询方式实现I/O操作时，如果某外设要求CPU对其服务的时间间隔小于CPU对多个外设轮询一个循环所需的时间，则CPU就不能与外设进行实时数据交换，可能会造成数据丢失。5.2.3中断传送方式在I/O传输过程中，可采用中断传输机制。即CPU平时可以忙于自己的事务，当外设有需要时可向CPU提出服务请求；CPU响应后，转去执行中断服务子程序；待中断服务程序执行完毕后，CPU重新回到断点，继续处理被临时中断的事务。断点主程序中断服务程序，对外设进行处理继续执行主程序外设中断请求中断响应中断源中断服务中断返回中断传送方式实现过程1.当外设准备好，向CPU发出中断请求；2.CPU在满足响应中断条件下，发出中断响应信号；3.CPU暂停当前的程序，转去执行中断服务程序，完成与外设的数据传送；4.CPU从中断服务程序返回，继续执行被中断的程序传送流程演示特点：1、CPU省去了对外设状态的查询和等待的时间，只在CPU响应外设的中断