第6章 输入输出接口

1、第6章输入输出与接口技术,微型计算机系统原理与接口技术,6.1.1微型计算机接口简介,微型计算机系统原理与接口技术,接口的的概念在微型计算机系统中，与外部设备之间的联系，需要有特定的硬件连接和相应的软件控制。完成这一任务的软硬件综合称为接口。,为什么要在和外设之间设置接口？要想回答这个问题，让我们先来看看外部设备外部设备是构成微型计算机系统的重要组成部分,6.1.1微型计算机接口简介,微型计算机系统原理与接口技术,外部设备种类繁多，从工作原理来讲，可分为机械、电动式和其它形式等几类，它们所传输的信息如数字量、模拟量、开关量、脉冲量要求也各不相同。这就给计算机和外设之间的信息交换带来以下一些问题

2、：速度不匹配：信号电平不匹配：信号格式不匹配：时序不匹配,6.1.1微型计算机接口简介为什么要在和外设之间设置接口？,微型计算机系统原理与接口技术,所以各种外设都有自己的定时和控制逻辑，与计算机的时序不一致。因此，输入输出设备不能直接与的系统总线相连，必须在与外设之间设置专门的接口（Interface）电路来解决这些问题。,6.1.1微型计算机接口简介为什么要在和外设之间设置接口？,微型计算机系统原理与接口技术,6.1.2微型计算机接口功能,、数据缓冲功能：实现速度匹配设置数据缓冲器或锁存器，以解决高速主机与低速外设之间的速度匹配问题。、设备选择功能：生成接口的选择信号要与多个外设打交道，一个

3、外设又往往要与交换几种信息，因此，一个外设接口中通常包含若干个端口，而在同一时刻，只能与某一个端口交换信息。、信号转换功能：实现电平、逻辑、时序匹配信号转换包括信号与外设之间的逻辑关系，功能定义、电平的高低，工作时序匹配等。、数据宽度与数据格式转换功能：实现数据位数的匹配。,微型计算机系统原理与接口技术,、设置时序控制电路来同步和外设的工作（）、执行CPU命令功能：寄存和解析CPU命令可以认为是端口执行了来自CPU的命令。（）、返回外设状态功能：寄存和编码外设状态接口电路接收送来的命令或控制信号，定时信号实施对外设的控制管理，外设的工作状态和应答信号也通过接口及时返回给，以握手联络（hands

4、haking）信号来保证主机和外部操作实现同步。,6.1.2微型计算机接口功能,微型计算机系统原理与接口技术,6.1.3微型计算机接口组成简单的输入输出接口的组成,把地址译码、数据锁存与缓冲、状态寄存器、命令寄存器各个电路组合起来，构成简单输入输出接口接口连接的信号：与系统总线连接：地址总线A0A15数据总线D0D7控制总线M/IO#、RD#、WR#（最小模式时）或IOWC#、IORC#（最大模式时）相连接与外部设备相连：数据口、状态口、命令口。,微型计算机系统原理与接口技术,6.1.3微型计算机接口组成,一个能够实际运行的接口，应由硬件和软件两部分组成。硬件电路端口：接口内通常设置有若干寄存

5、器，用来暂存和外设之间传输的数据，状态和命令，这些寄存器被称为端口（port）。根据寄存器内暂存信息的种类，在接口芯片中包括：数据端口（数据寄存器）传送数据的功能。命令端口（控制端口或命令寄存器）接收执行命令的功能。状态口（状态寄存器）返回状态的功能端口地址译码电路:(独立于接口芯片)端口地址译码的作用是完成设备选择的功能，是接口中不可缺少的部分。,微型计算机系统原理与接口技术,为了增强接口适用范围，半导体厂商一般按照通用型、可编程模式设计制作接口芯片。因此，为了使用接口，需要为CPU编写专门的接口程序。接口程序多由汇编语言编程实现，一般包括初始化接口芯片、确定数据传输方式、控制接口硬件动作等

6、主要功能。基本结构：如图所示。,6.1.3微型计算机接口组成,微型计算机系统原理与接口技术,6.1.4端口的编址方式,两种端口编址方式：统一编址和独立编址，统一编址，称为存储器映射方式。,定义：把系统中的每一个I/O端口看作一个存储单元，与存储单元一样统一编址。优点：系统指令集中，不必包含专门的I/O指令，简化指令系统设计；可以使用种类多、功能强的存储器指令访问外设端口；I/O地址空间可大可小，灵活性强。缺点：I/O地址具有与存储器地址相同的长度，增大了译码复杂程度，延长了译码时间，降低了输入输出效率。,微型计算机系统原理与接口技术,两种端口编址方式：统一编址和独立编址，独立编址，称为I/O映

7、射方式。,定义：对系统中的I/O端口单独编址，构成独立的I/O地址空间。优点：采用专门的I/O指令来访问具有独立空间的I/O端口；I/O地址较短，I/O指令长度短，译码电路简单，指令执行速度快，程序清晰，可读性好；缺点：指令系统必须设置专门的I/O指令，其功能不如存储器指令强大。,6.1.4端口的编址方式,微型计算机系统原理与接口技术,独立编址方式的端口访问,80 x86CPU采用内存与IO端口独立编址方式，设置了一套独立的输入/输出指令。输入指令IN把外部设备接口输入端口（数据、状态）的信息读入累加器AL、AX。输出指令OUT把累加器的内容向外部接口的输出端口（数据、命令）输出。IN/OUT

8、指令有两种寻址方式。端口地址在0255之间，使用直接地址，端口地址以“立即数”的形式出现在指令中。端口地址大于255时，必须把地址事先送入DX寄存器，通过该寄存器进行间接寻址。,6.1.4端口的编址方式,微型计算机系统原理与接口技术,独立编址方式的端口访问,IN（输入）指令指令格式：INACC,PORTINACC,DX操作：AL/AX（PORT）AL/AX（DX）功能：把指定端口中的数据读入AL或AX中,6.1.4端口的编址方式,微型计算机系统原理与接口技术,独立编址方式的端口访问,IN（输入）指令端口地址在0255之间：INAL，35H;将地址为35H的8位端口数据送AL.INAX，0A8H

9、;将地址为0A8H的16位端口数据送AX.端口地址在065535之间：MOVDX，21H；端口地址放入DXINAL，DX；把地址为21H的端口数据（8位）送AL中MOVDX，312H；端口地址放入DXINAX，DX；把地址为312H的端口数据（16位）送AX中,6.1.4端口的编址方式,微型计算机系统原理与接口技术,独立编址方式的端口访问,OUT（输出）指令端口地址在0255之间：OUT40H，AL；将AL中数据送到地址为40H的8位端口中OUT30H，AX；将AX中数据送到地址为30H的16位端口中端口地址在065535之间：MOVDX，21HOUTDX，AL；将AL中数据向DX所指定的8位

10、端口输出MOVDX，310HOUTDX，AX；将AX中数据向DX所指定的16位端口输出,6.1.4端口的编址方式,微型计算机系统原理与接口技术,80 x86的I/O端口编址方式采用独立编址方式，I/O端口地址为16位，最大数寻址范围为64K个地址。IBM-PC机I/O端口编制方式：主板上只应用了10位I/O端口地址线，因此支持的I/O端口数为1024个，地址空间为0003FFH，有效地址线为A0A9。IBM-PC机I/O端口分配方式，把I/O接口硬件分为两类：板内接口-前256个（0000FFH）扩展接口-后768个（1003FFH）,6.1.4端口的编址方式,微型计算机系统原理与接口技术,板

11、内I/O端口主板(系统板)上的I/O接口板内接口即主板上的I/O接口。寻址到的都是可编程大规模集成电路，完成相应的板内接口操作。在IBMPC/T机中，主板上主要有实时时钟、协处理器、Intel公司开发82xx系列的接口芯片等，这些接口芯片一般是独立焊接在主板上的。,6.1.4端口的编址方式,微型计算机系统原理与接口技术,扩展卡上的I/O接口扩展卡主要是指插接在主板插槽上的接口卡，通过系统总线与CPU系统相连。这些扩展卡一般由若干个集成电路按一定的逻辑组成一个部件，如图形卡、串行通讯卡、网络接口卡等。,6.1.4端口的编址方式,微型计算机系统原理与接口技术,扩展卡上的I/O接口用户端口选用原则对

12、于进行接口设计卡设计的用户了解机器的端口地址配置是很重要的。因为要设计接口卡，就必然要使用端口地址，在选定端口地址时，要注意如下几点：,系统配置已经使用的地址不能使用；未被系统使用，但厂家申明保留的地址不要使用；用户可以使用PC微机30031FH的地址。,6.1.4端口的编址方式,微型计算机系统原理与接口技术,6.2I/O端口地址译码与读写技术,CPU是通过地址对不同的接口或端口加以区分的。把CPU送出的地址转变为芯片选择和端口区分的依据就是地址译码电路。译码电路结构,6.2.1I/O端口地址译码,微型计算机系统原理与接口技术,I/O端口地址译码电路在接口电路中的作用:,是地址信号和某些控制信

13、号进行组合,从而产生对接口芯片的选译信号.在微机系统中，I/O译码电路除了受A0A9这10根地址线所确定的地址范围的限制之外，还要用到其他一些控制信号。如：利用IOR或IOW信号控制对端口的读写。利用AEN信号控制非DMA传送。用I/OCS控制对8位还是16位端口操作。用信号BHE控制端口的奇偶地址。可见，在设计地址译码电路时，不仅要选择地址范围，还要根据CPU与I/O端口交换数据时的流向（读/写）、数据宽度（8位/16位），以及是否采用奇偶地址等要求来引入相应的控制信号，从而形成地址译码电路。,6.2.1I/O端口地址译码,微型计算机系统原理与接口技术,6.2.1I/O端口地址译码,6.2.

14、1I/O端口地址译码,端口地址译码电路从形式上可分为:固定式译码和可选式译码；按译码采用的元器件来分，则可分为:门电路译码和译码器译码；按端口与地址的对应关系，则可分为:全译码方式与部分译码方式。,微型计算机系统原理与接口技术,最终目标是唯一确定一个端口或寄存器的地址，需要所有地址线都参加译码。,地址译码-全译码法,A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0=1011110000=2F0H3：8输入端与非门：个输入端与非门;：个输入端或门,6.2.1I/O端口地址译码,微型计算机系统原理与接口技术,分析：、由于接口芯片内部包含个端口地址，应先选中芯片，再从选中的芯片内部选端口，因此，需要产生片选

15、信号，故采用部分译码法。这理：只有高位地址线参加译码，产生片选信号，而低位地址线不经过译码电路，直接引入接口芯片，作为产生多个端口（地址范围）之用。,地址译码-部分译码用片内寻址外的高位地址的一部分译码产生片选信号。,例：设计一片内拥有个端口的接口电路的地址译码电路，其端口地址为。,6.2.1I/O端口地址译码,微型计算机系统原理与接口技术,用片内寻址外的高位地址的一部分译码产生片选信号。,地址译码-部分译码法,例：设计一片内拥有个端口的接口电路的地址译码电路，其端口地址为。,、题目要求端口地址范围是可知，其输入地址线的取值为：0？其中，低位地址不参加译码电路译码。其值可变，用？表示。,6.2

16、.1I/O端口地址译码,微型计算机系统原理与接口技术,用片内寻址外的高位地址的一部分译码产生片选信号。,地址译码-部分译码法,例：设计一片内拥有个端口的接口电路的地址译码电路，其端口地址为。,是地址变化范围。正好满足在接口芯片内部寻址个端口的要求。高位地址的取值为，并且是固定不变的，作为门电路的输入。因此保证这根输入线取值不变的条件下，输出线为低电平（即）的任何一种逻辑组合电路，都能满足本例设计要求。,6.2.1I/O端口地址译码,微型计算机系统原理与接口技术,用片内寻址外的高位地址的一部分译码产生片选信号。,地址译码-部分译码法,例：设计一片内拥有个端口的接口电路的地址译码电路，其端口地址为

17、。,设计：符合上述译码要求的电路有许多，考虑到是单个接口（芯片），只需一个片选信号，故采用门电路来组成译码电路。,：输入端与非门：个三输入端或非门,6.2.1I/O端口地址译码,微型计算机系统原理与接口技术,用片内寻址外的高位地址的一部分译码产生片选信号。,地址译码-部分译码法,例：设计一片内拥有个端口的接口电路的地址译码电路，其端口地址为。,设计：如果我们用，和（个非门芯片）来实现可以吗,6.2.1I/O端口地址译码,微型计算机系统原理与接口技术,地址译码电路结构形式及常见的端口地址译码方法,、固定式端口地址译码电路：硬件电路不改动，译码输出的地址或地址范围不变。例如：门电路组合法、译码器译

18、码法。、可选式（开关式）端口地址译码：电路中有若干个开关，硬件电路不改动，只改变开关的状态，就可以使译码输出的地址或地址范围发生变化。,端口地址译码电路一般有两种结构形式：,6.2.1I/O端口地址译码,微型计算机系统原理与接口技术,、门电路组合法（门电路译码法）：门电路译码就是采用与门、与非门、反相器及或非门等简单逻辑门器件构成译码电路。,常见的端口地址译码方法,例：设计一个端口地址为的译码电路,分析：由于是单个端口地址的译码电路，不需要产生片选信号，故采用全译码方法。根地址线全部作为译码电路的输入线，参加译码。题目要求的端口地址是，可知，位输入地址线的取值是：,地址译码电路结构形式及常见的

19、端口地址译码方法,6.2.1I/O端口地址译码,微型计算机系统原理与接口技术,设计：能实现上述地址线取值的译码电路有很多种，一般采用门电路有与门、或门、非门及与非、或非等。本设计的地址译码电路如图所示：这样的译码电路称为：固定式单个端口地址译码电路,例：设计一个端口地址为的译码电路,地址译码电路结构形式及常见的端口地址译码方法,6.2.1I/O端口地址译码,微型计算机系统原理与接口技术,例：设计一个能执行读写操作的端口地址的译码电路。,设计：0,6.2.1I/O端口地址译码,微型计算机系统原理与接口技术,、译码器译码电路：如果接口电路需要使用多个端口地址，则采用译码器译码比较方便。如：双2-4

20、译码器74LS139；3-8译码器74LS138，4-16译码器74LS154，等,PC机中3-8译码器74LS138的译码实例,常见的端口地址译码方法,地址译码电路结构形式及常见的端口地址译码方法,6.2.1I/O端口地址译码,微型计算机系统原理与接口技术,地址译码电路结构形式及常见的端口地址译码方法,、比较器比较法,例：设计一个地址可以改变的端口地址译码电路，并且在范围内可以任意选译某一个端口地址。,设计：确定地址开关的位数题目要求种选译，故采用位地址开关，其次，地址开关不能直接在系统地址线上，需通过中介元件（比较器或异或门）进行地址转移，我们采用比较器。从题目要求的地址范围可知，译码电路

21、的输入地址的取值为：,6.2.1I/O端口地址译码,常见的端口地址译码方法,微型计算机系统原理与接口技术,地址译码电路结构形式及常见的端口地址译码方法,、比较器比较法,例：设计一个地址可以改变的端口地址译码电路，并且在范围内可以任意选译某一个端口地址。,6.2.1I/O端口地址译码,微型计算机系统原理与接口技术,、另外我们也可以采用的开关式多个接口电路地址译码电路的设计。可以根据的特点，把它运用到译码电路中。除了进行硬件设计外，还要根据所要求的逻辑功能和编程工具所要求的格式，编写的编程输入源文件。确定逻辑关系，最后将编程代码“烧：到内部。然后进行使用。,常见的端口地址译码方法,地址译码电路结构

22、形式及常见的端口地址译码方法,6.2.1I/O端口地址译码,微型计算机系统原理与接口技术,6.2.2I/O端口的读写控制技术,CPU在向外部输出数据或向控制端口写控制命令时要进行端口写操作（即执行OUT指令）。,1.端口寄存器的写操作,2.端口寄存器的读操作,通常会有一些状态信息或数据信息需要输入给CPU，这些数据已存放于寄存器中，通过端口读操作可以读入微处理器，这些寄存器不能直接接到系统数据总线上，以免长时间占用总线，需通过三态缓冲器接至数据总线。只有对该寄存器使用的端口进行读操作时才打开三态门，将数据送上总线；其他时间三态门处于高阻状态。,微型计算机系统原理与接口技术,数据锁存器与缓冲器例

23、:输入设备接口的数据锁存和缓冲电路如图左下所示，输出锁存电路如图右下所示。,6.2.2I/O端口的读写控制技术,微型计算机系统原理与接口技术,CPU与外部主要进行两种类型的数据传送：与内存储器的数据传输和与外部设备的数据传输。使用一个总线周期就可以与内存储器进行一次数据传输，而且这个过程可以连续进行。与外设的数据传输则要复杂得多。从输入设备读入一个数据之后，要等到该设备完成了第次数据输入之后，才能读入第个数据。等待时间不但与该设备的工作速度有关，有时也带有许多随机的成分。例如：用户在键盘输入过程中，两次击键的间隔时间往往是不确定的。因此，较之与内存储器的数据传输，与外设的数据传输有着不同的特点

24、，因而也有着不同的处理方式。概括起来有以下种传送方式：无条件传送方式、查询方式、中断方式、控制方式。,6.3微型计算机接口数据传输控制方式,微型计算机系统原理与接口技术,6.3微型计算机接口数据传输控制方式,无条件传送方式：无条件传送方式又称为同步方式，是最简单的一种控制方式。多用于与低速接口之间的信息交换。如开关、继电器、显示器，它们总是被认为处于“待命”状态。对它们的操作可以随时进行。,无条件输入输出传送接口,微型计算机系统原理与接口技术,条件传送方式条件传送也称为查询方式传送。使用条件传送方式时，通过程序不断读取并测试外设的状态。如果输入设备处于准备好的状态，或者输出设备处于空闲状态，则

25、执行输入指令或输出指令与外设交换数据。为此，接口电路除了有传送数据的端口以外，还应有传送状态的端口。、对于输入过程来说，当外设将数据准备好时，则使接口的状态端口中的“准备好”标志置“”。、对于输出过程来说，外设取走一个数据后，接口便将状态端口的对应标志清“”，表示当前输出寄存器已经处于空状态，可以接收下一个数据。,6.3微型计算机接口数据传输控制方式,微型计算机系统原理与接口技术,条件传送方式对于条件传送来说，一个数据的传送过程由个环节组成。CPU从接口中读取状态字；CPU检测状态字的对应位是否满足“就绪”条件，如果不满足，则回到前一步重新读取状态字；如状态字表明外设已处于“就绪”状态，则传送

26、数据。如查询方式流程图：查询式输入流程,6.3微型计算机接口数据传输控制方式,微型计算机系统原理与接口技术,条件传送方式查询方式的特点：操作由启动，即是主动的，是被动的，所有的传送都是与程序的执行同步。应用：不太忙碌，传送速度不高的情况下采用。缺点：解决了与外设工作速度的协调问题，但是却大大降低了的使用效率。,6.3微型计算机接口数据传输控制方式,微型计算机系统原理与接口技术,条件传送方式,例：查询方式输入接口电路如图所示查询方式输入接口电路工作原理,6.3微型计算机接口数据传输控制方式,微型计算机系统原理与接口技术,条件传送方式,查询方式输入接口电路工作原理,输入设备在数据准备好后向接口发一

27、个选通信号。选通信号一方面将外设的数据送到接口的锁存器中，另一方面使接口中的触发器置“”，它的输出端经过三态缓冲器和数据总线的某一根相连。数据信息和状态信息从不同端口经过数据总线送到。按照数据传送过程的个步骤：先读取状态字，（本例中状态字一位有效）检查状态字是否表明数据准备就绪。如准备就绪，则执行输入指令读取数据，同时把触发器清“”，设备又恢复到未就绪状态，本次数据传输到此结束,6.3微型计算机接口数据传输控制方式,微型计算机系统原理与接口技术,条件传送方式,查询方式输入接口电路工作原理,相应的汇编语言指令段如下：汇编语言程序：AGAIN:INAL,STAT_PORT;读状态端口，D7=1表示“数据就绪”TESTAL，80H;测试“数据就绪”位JZAGAIN;未就