微机原理基本输入输出接口

1、1,第6章 基本输入输出接口,教学重点 I/O接口电路的典型结构 无条件传送方式 查询传送方式 中断工作过程,2,6.1 I/O接口概述,I/O设备有哪些？ 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,3,6.1 I/O接口概述（续1）,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 主板上的可编程接口芯片、I/O总线插槽的接口卡电路板（适配器adapter）都是接口电路 接口一般还需要软件支持（编程）：初始设置，工

2、作驱动,4,6.1 I/O接口概述（续2）,什么是微机接口技术？ 处理微机系统与外设间联系的技术 根据应用系统的需要，使用或构造相应的接口电路，编制配套的接口程序,5,6.1.1 I/O接口的主要功能, 对输入输出数据进行缓冲 驱动、隔离和锁存 对信号的形式和数据的格式进行变换 微机直接处理：数字量、开关量、脉冲量，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。 对I/O端口进行寻址 一个外设可以有多个端口 与CPU和I/O设备进行联络 外设状态，控制信号，外设请求,6,6.1.2 I/O接口的典型结构,控制总线CB,地址总线AB,I/O接口电路,数据,控制,状态,数据总线

3、DB,CPU,外设,控制寄存器,状态寄存器,数据寄存器,7,I/O接口的典型结构,1. 接口电路的内部结构 2. 接口电路的外部特性 3. 接口芯片的分类 4. 接口芯片的可编程性,8,1. 接口电路的内部结构,CPU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： 数据寄存器 保存外设给CPU和CPU发往外设的数据 状态寄存器 保存外设或接口电路的状态 控制寄存器 保存CPU给外设或接口电路的命令,9,2. 接口电路的外部特性,面向CPU一侧的信号（比较统一）： 用于与CPU连接 主要是数据、地址和控制信号（与M类似） 面向外设一侧的信号(各不相同）： 用于与外设连接 提

4、供的信号五花八门 功能定义、时序及有效电平等差异较大,10,3. 接口芯片的分类,接口电路核心部分往往是一块或数块大规模集成电路芯片（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，如8255 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，如8279（键盘/显示器接口芯片 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，如8259(中断控制器），8237（DMA控制器），8253（定时/计数器）,11,4. 接口电路的可编程性（Programmable）,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； 多数接口不仅需要

5、进行物理连接，还需要编写接口软件； 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灵活性。,12,6.1.3 I/O端口的编址,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地址空间独立于存储地址空间 如8086/8088 I/O端口与存储器统一编址 它们共享一个地址空间 如M6800（Motrola）,13,I/O端口单独编址,优点： I/O端口的地址空间独立 控制和地址译码电路相对简单 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,80 x86采用I/O端口独立编址，参见P14,14,I/O端口与存储器统一编址,优点：

6、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）,内存 部分,I/O 部分,存储空间,0,FFFFF,15,6.1.4 8088/8086的输入输出指令,输入指令 IN AL,i8/DX ; 字节输入 IN AX,i8/DX ; 字输入 输出指令 OUT i8/DX, AL ; 字节输出 OUT i8/DX，AX;字输出,16,6.1.5 I/O地址的译码,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： 允许“浪费” 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

7、储器,例：书P157，图6-2,17,用门电路实现I/O地址译码,A9 A8 A7 A6 A5 A2 A4 A3 AEN A1 A0,74LS30(8输入与非门）,I/O地址3E7H,A9-A0：1111100111B,18,用跳线和拨动开关设置接口地址的例子（P158）,19,IBM PC/XT主机板的I/O译码电路,Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5,Y6 Y7,A5 A6 A7,A8 A9 -AEN,-IOW,A B C,-E1 -E2 E3,74LS138,-DMA CS（8237） -INTR CS（8259） -T/C CS（8253） -PPI CS（8255）,-WRTDMAP

8、G （写DMA页面寄存器）,-WRTNMIREG （写NMI屏蔽寄存器）,-AEN:DMA地址有效,20,IBM PC/AT主机板的I/O译码电路,接口芯片内部译码,A0A4,DMA控制器1 中断控制器1 定时计数器 并行接口电路 DMA页面寄存器 中断控制器2 DMA控制器2 协处理器,A5 A6 A7 A8 A9,138译码器,HLDA MASTER,Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7,HLDA和MASTER有效，表示别的设备控制总线，CPU不能寻址I/O,21,6.1.6 CPU与外设的数据传送方式,程序控制下的数据传送通过CPU执行程序中的I/O指令来完成传送，又分为： 无

9、条件传送 查询传送 中断传送 直接存储器存取（DMA）传送请求由外设向DMA控制器（DMAC）提出，后者向CPU申请总线，最后DMAC利用系统总线来完成外设和存储器间的数据传送 I/O处理机CPU委托专门的I/O处理机来管理外设，完成传送和相应的数据处理,22,6.2 无条件传送方式及其接口,在CPU与慢速变化的设备交换数据时，可以认为它们总是处于“就绪”状态，随时可以进行数据传送，这就是无条件传送，或称立即传送、同步传送 适合于简单设备，如LED 数码管、按键/按钮等 无条件传送的接口和操作均十分简单 这种传送有前提：外设必须随时处于就绪状态,传送流程,接口实例,23,无条件传送：输入示例,

10、IOR,三态缓冲器,OE,I/O装置,地址译码器,CS,D7D0,A15A1,A0,0160H,MOV DX, 160H IN AL, DX,24,无条件传送：输入示例,MOV DX, 160H IN AL, DX,74LS244,+5V,10K x 8,G1 G2,数据总线,CS,RD,25,无条件传送：输出示例,地址译码器,数据锁存器,A15,A0A14,CS,0160H,输出设备,D7D0,MOV DX, 160H MOV AL, BX OUT DX, AL,26,无条件传送：输出实例,MOV DX, 160H MOV AL, BX OUT DX, AL,+5V,74LS373,300

11、x 8,LE OE,数据总线,CS,WR,27,无条件传送：输入输出接口,K7,K1,K0,+5V,D0D7,A0A15,CLK,74LS06 反相 驱动器,74LS273 8D 锁存器,74LS244 三态 缓冲器,8000H,译码,+5V,LED0,LED7,-G,-IOW,-IOR,两个端口地址共用8000H，怎么区分？,28,无条件传送：输入输出接口,next:mov dx,8000h;DX指向数据端口 in al,dx;从输入端口读开关状态 not al;反相 out dx,al;送输出端口显示 call delay;调子程序延时 jmp next;重复,程序执行效果？K0闭合，LE

12、D0亮还是灭？,29,6.3 查询传送方式及其接口,CPU先了解（查询）外设的工作状态，在外设就绪（可以交换信息的情况下）实现数据的输入或输出 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 查询传送的特点是：工作可靠，适用面宽，但传送效率低,30,查询传送的两个环节,查询环节 寻址状态口 读取状态寄存器的标志位 若不就绪就继续查询，直至就绪 传送环节 寻址数据口 是输入，通过输入指令从数据口读入数据 是输出，通过输出指令向数据口输出数据,接口实例,31,6.3.1 查询输入接口,-IOR,+5V,8D 锁存器,8位 三态 缓冲器,译码,1位 三态 缓冲器

13、,A0A15,8000H,8001H,D0D7,D0,输入 设备,-IOR,-STB,R,Q,D,两次读入数据：1、D0（状态口）， 2、D0-D7（数据口）,32,查询输入接口,mov dx,8000h;DX指向状态端口 status: in al,dx ;读状态端口 test al,01h ;测试标志位D0（al 从数据端口输入数据,33,6.3.2 查询输出接口,8D 锁存器,译码,1位 三态 缓冲器,R,Q,A0A15,8000H,8001H,D0D7,D7,D,+5V,-ACK,-IOW,-IOR,输出 设备,状态口,34,查询输出接口,mov dx,8000h;DX指向状态端口 s

14、tatus:in al,dx;读取状态端口的状态数据 test al,80h;测试标志位D7 jnz status;D71，未就绪，继续查询 inc dx;D70，就绪，DX指向数据端口 mov al,buf;变量buf送AL out dx,al;将数据输出给数据端口,35,6.4 中断传送方式,程序 断点,主程序,中断请求,为外设,继续执行,返回断点,传送流程,CPU在执行程序中，被内部或外部的事件所打断，转去执行一段预先安排好的中断服务程序； 服务结束后，又返回原来的断点，继续执行原来的程序,提供服务,中断服务程序入口,36,6.4.1 中断传送与接口,中断传送是一种效率更高的程序传送方式

15、； 中断过程的完成由中断系统（硬件，如8259；当然还需要CPU）和中断服务程序（软件）共同控制完成； 进行传送的中断服务程序是预先设计好的，其入口地址已知； 中断请求是外设随机向CPU提出的（时间随机）；程序执行到何位置（断点）也是随机的（地点随机）；,37,中断可能来自CPU内部，也可能来自CPU外部 外部中断可分为可屏蔽中断和不可屏蔽中断 可屏蔽中断：INTR引入；-INTA响应。CPU可通过设置IF=1（开中断） 和IF=0（关中断）决定是否响应。 不可屏蔽中断：NMI。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。,38,CPU对中断请求的检测是有规律的：一般是在

16、每条指令的最后一个时钟周期采样中断请求输入引脚 本书主要论述中断在输入和输出方面的应用：即中断传送 中断还有着非常广泛的应用，如程序调试（软中断）等；时钟中断：多道程序并发执行的推动力,39,三态 缓冲器,中断输入接口（向量中断）,D0D7,+5V,8D 锁存器,8位 三态 缓冲器,R,Q,译码,8001H,中断向量号（8259提供）,D0D7,INTR,D,输入 设备,中断允许 触发器,A0A15,中断请求 触发器,-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,40,？中断向量如何获取,

17、中断向量表：在内存的前1K字节，可容纳256个中断向量；每个中断向量占用4个字节，用于存储对应中断源的服务程序入口地址。一部分为系统保留，其余用户可用，可作为外部中断源向量。每个中断向量，即一个1字节的中断类型码（00HFFH），比如88H。,41,6.4.2 中断工作过程（可屏蔽）,中断请求（外设） 中断响应（CPU） 关中断（CPU） 断点保护（CPU） 中断识别（硬件/软件）,现场保护（用户） 中断服务（用户） 恢复现场（用户） 开中断（CPU/用户） 中断返回（IRET，用户）,中断服务是进行数据交换的实质性环节,42,CPU响应中断的条件,中断请求时，没有更高级别的请求发生，如RES

18、ET、HOLD、NMI等； 中断请求应保持到它被响应为止；,43,断点保护与现场保护的不同,断点保护是CPU自动完成的，保护内容有：FLAGS、CS、IP等； 现场保护：用户根据需要在程序中施行，用PUSH。,44,6.4.3 中断识别和中断优先权处理,问题1： CPU如何识别中断源？,一个中断源：向量中断（硬件）P164，图6-12 多个中断源：中断查询（软/硬件结合）,中断源的识别,45,中断查询接口,A0A15,锁 存 器,INTR,三态 缓冲器,译码,8001H,D0D7,中断A 中断B 中断C 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

19、优先级高,46,6.4.3 中断优先权（续1）,问题2：有多个中断同时请求， CPU如何应对？,硬件方案 1：链式优先权排队电路 2：优先权编码电路,中断优先级排队,47,链式中断优先权排队电路,A2,A1,C2,C1,D2,D1,B2,B1,中断源A,触发器,中断源B,触发器,中断源C,触发器,中断矢量D,中断矢量C,中断矢量B,中断矢量A,中断源D,触发器,缓冲器,缓冲器,缓冲器,缓冲器,-INTA,高优先级,INTR,D0D7,1、产生请求信号,2、关闭B2,3、送出中断矢量,48,中断优先权编码电路,比较器失效信号 （当前无中断服务时有效）,比较器,8:3 优先权 编码器,优先权 寄存

20、器,D0D7,2,1,AB,中断请求0 中断请求1 中断请求2,A0 A1 A2,INTR,B0 B1 B2,有中断请求,中断请求7,记录正在服务的中断编码，若无，则输出比较器失效信号,49,设中断源2有中断请求， 1、若当前没有中断服务 2、当前正在服务的是中断源1（优先级高于2） 3、当前正在服务的是中断源5（优先级低于2）,50,6.4.3 中断优先权（续2）,问题3：中断处理过程中， 又有中断提出请求，怎么办？,办法1：链式优先权排队电路 办法2：优先权编码电路,中断嵌套,51,6.5 DMA传送方式,希望克服程序控制传送的不足： 外设CPU存储器 外设CPU存储器 直接存储器存取DM

21、A：不经CPU，不用指令 外设存储器（DMA写） 外设存储器（DMA读） CPU出让系统总线（输出高阻），由DMA控制器（DMAC）接管系统总线,52,DMA传送特点：,DMAC同时访问存储器和I/O设备； 对一个对象读，必然对另一个对象写； 只对存储单元进行寻址，对I/O端口不寻址。,53,DMA传送的工作过程, CPU对DMA控制器进行初始化设置 外设、DMAC、CPU， 3者通过应答信号建立联系：CPU将总线暂交DMAC控制，事后再将控制权收回。 DMA传送 DMA读：存储器 外设 DMA写：存储器 外设 DMAC的功能： 对存储器寻址地址动加1/减1 计数器减1 判断传送是否完成,传送流程,54,DMA传送（ 以DMA 写为例）,-MEMW,-IOR,数据总线,地址总线,输入设备,存储器,DMAC,CPU,HOLD,HLDA,55,DMA传送流程,HLDA,发存储器地址,传送数据,传送结束？,DMA结