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1、微机原理与接口技术,主讲：田娟,信息工程学院 电子信息教研室,邮箱： 电话第6章 输入和输出接口技术,6.1 I/O接口概述 6.2 I/O接口数据传送的控制方式（重点） 6.3 简单I/O接口芯片的应用（了解） 6.4 直接存储器存储（DMA）方式（了解）,补 充 知 识-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。这部分电路被称为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。,补 充 知 识-什么

2、是I/O接口（电路）？,6.1 I/O接口概述,6.1.1 接口与端口的基本概念,接口的概念：,微机使用的外部设备种类很多，一般可以分为电子设备、机 电设备、机械设备等，它们的工作速度及信号的表示方法与微型 计算机不同。如果按照它们与CPU之间数据传输的方向可以分为 输入设备（键盘、鼠标、数码相机等）、输出设备（显示器、打 印机等）、复合输入/输出设备（磁盘等）。为了能够把各种各 样的外部设备与CPU的总线连接，要设计不同类型的接口电路， 简称接口，也称适配器。微机系统中，各种输入/输出设备通过 接口与系统相连，并在接口的支持下实现各种方式的数据传送。,因此接口是CPU与存储器、外部设备或者两

3、种外设之间， 或者两种机器之间通过系统总线进行连接的逻辑部件（或称 电路），是CPU与外界进行信息交换的中转站。 微型机系统内部设备之间的信息交换、微型机与别的计算 机或设备的信息交换，都是通过接口来实现的，如图6-1所示。,图6-1 CPU与外设连接示意图,接口的功能：,接收和执行CPU命令的功能 数据缓冲功能和接口状态的表示 设备选择功能 信号转换功能 数据格式转换功能 中断管理功能 可编程功能 错误检测及复位功能,端口的概念：,微机的外部设备和存储设备都是通过接口连接到系统上的， 每个接口是由一组寄存器组成，这些寄存器都分配了一个称为I/O 端口的地址编码。微机的CPU和内存就是通过这些

4、端口和外部设 备进行通信的。 I/O接口部件中一般有3种寄存器：一是用来数据缓冲的数据 寄存器；二是用来保存设备和接口的状态信息，供CPU对外设进 行测试的状态寄存器；三是用来保存CPU发出的命令以控制接口 和设备操作的命令寄存器。这些寄存器都分配有各自的端口号， CPU通过不同的端口号来选择各种外部设备。,图6-2 CPU寻址外设示意图,补 充 知 识,6.2 I/O接口数据传送的控制方式,引言,外设与微机间的信息交换可以用不同的输入输 出方法完成。基本的输入输出方法有：程序控制I/O 方式（无条件传送方式与查询方式）、中断方式、 直接存贮器存取（DMA）方式。,6.2 I/O接口数据传送的

5、控制方式,6.2.1 程序控制方式,状态和数据传送是通过CPU执行程序中的指令来完成的， 又分为： 无条件传送方式 条件（查询）传送方式,无条件传送方式,无条件传送是一种最简单的输入/输出控制方法，一般用于控制CPU与低速I/O接口之间的信息交换。 由于这些信号变化缓慢，当需要采集这些数据时，外部设备已经把数据准备就绪，不需要检查端口的状态，可以立即采集数据，数据保持时间相对于CPU的处理时间长得多。 输入的数据不需要加锁存器而直接用三态缓冲器与系统总线连接，如图6-3所示。,图6-3 无条件传送方式接口电路(a) 无条件传送的输入方式； (b) 无条件传送的输出方式,实现无条件输入的方法是：

6、在程序的恰当位置安排输入 指令，当程序执行到这些指令时，外部设备的数据准备就绪， 可在执行当前指令时间内完成接收数据的全部过程。 实现无条件输出的方法是：在程序的恰当位置安排OUT 输出指令，当程序执行到这些指令时，将输出给外部设备的数 据存入锁存器。 如果外部设备是输出设备（例如显示器），一般要求接 口具有锁存能力，即要求CPU送给外部设备的数据，应该在输 出设备接口电路中保持一段时间，保持时间的长短应该和外部 设备的接受动作时间相适应。,无条件传送方式（续）,IN AL, 21H,补 充 知 识,补 充 知 识,查询方式（条件传送方式）,此传送方式在接口电路中，除具有数据缓冲器或数据锁 存

7、器外，还具有外设状态标志位，用于反映外部设备数据的情 况。在接口电路中，状态寄存器也占用端口地址号。 使用查询方式控制数据的输入/输出，通常要按图6-4的流 程进行。首先读入设备状态标志信息，接着根据读入的状态信 息进行判断，如果设备没有准备好，则程序转移去执行某种操 作，或循环回去重新执行读入设备状态信息；如果设备准备 好，则执行完成数据传送的I/O指令。数据传送结束后，CPU 转去执行其他任务，刚才所操纵的设备脱离CPU控制。,图6-4 查询方式示意图,补充知识-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

8、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,小结,小 结,查询方式的优点是：可以较好地协调外设与CPU之间的定时关系； 缺点是：CPU需要不断查询标志位的状态，这将占用 CPU较多的时间，尤其是和中速或慢速的外部设备交换信息 时，CPU真正花费在传送数据上的时间极少，绝大部分时间都 消耗在查询上。 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。,查询方式的缺点除了占用CPU较多的工作时间外，还难以 满足实时控制系统对I/O工作的要求。因为在查询方式中，CPU 处于主动地位，而外设接口处于消极被查询的被动地位。而在 一般实时控制

9、系统中，外设要求CPU为它服务是随机的，而且 支持系统的外设往往有几个甚至几十个，若采用查询方式工 作，很难实现系统中每一个外设都工作在最佳工作状态。所谓 工作在最佳状态，是指一旦某个外设请求CPU为它服务时， CPU应该以最快的速度响应其请求。这就要求系统中的外设， 具备主动申请CPU为其服务的权利。,引 言,6.2 I/O接口数据传送的控制方式,6.2.2 中断控制方式,中断控制的输入/输出方式，也称中断传送方式，即当 外设的输入数据准备好或接收数据的锁存器为空时，主动 向CPU发出中断请求，使CPU中断原来执行的程序，转去 执行为外设服务的输入或输出操作，服务完毕，CPU再继 续执行原来

10、的程序。,知 识 复 习-中断,采用中断方式，信息的传送是依赖CPU执行中断服务程序 来完成的，因此每进行一次I/O操作，都需要CPU暂停执行当 前程序，把控制转移到优先级最高的I/O程序。在中断服务程 序中，需要有保护现场和恢复现场的操作，而且I/O操作都是 通过CPU来进行的。 当从存储器输出数据时，首先需要CPU执行传送指令，将 存储器中的数据，读入CPU中的通用寄存器AL（对于字节数 据）或AX（对于字数据），然后，执行OUT指令，把数据由 通用寄存器AL或AX传送到I/O端口；当从I/O端口向存储器存 入数据时，过程正相反。,CPU执行IN指令时，将I/O端口数据读入通用寄存器AL

11、或AX，然后CPU执行传送指令，将AL或AX的内容存入存储 器单元。这样，每次I/O操作都需要几十甚至几百微秒，对于 一些高速外设，如高速磁盘控制器或高速数据采集系统，中 断控制方式往往满足不了它们的需要。为此，提出了数据在 I/O接口与存储器之间的传送，不经CPU的干预，而是在专用 硬件电路的控制下直接传送。这种方法称为直接存储器存取 （Direct Memory Access，缩写为DMA）。,6.3 简单I/O接口芯片的应用,6.3.1 常用芯片功能介绍,目前常用的简单I/O接口芯片有：74LS244、74LS245、 74LS373、Led数码管。,74LS244是一个典型的8位单向3

12、态缓冲驱动，能提高总线 的驱动能力，是一种基本的I/O接口芯片。74LS244 缓冲器主 要用于三态输出的地址驱动器、时钟驱动器、总线定向接收器 和定向发送器等。 它无锁存功能，常用作并行输入口和总线驱动器，其逻辑 结构如图6-7所示。 74LS244的8个三态门分为两组，每组4个，分别由和控制。 当和为低电平时，三态门导通，否则输出端为高阻状态。实际 使用中，通常是将两个控制端并联，这样就可用一个控制信号 来使8个三态门同时导通或同时断开。,单向三态缓冲器74LS244（结合P248 8.1.2）,图6-7 74LS244的逻辑功能图,1A11A4和2A12A4是2组4位数据输入端， 1Y1

13、1Y4和2Y12Y4是相应的两组输出端。,图8-2 74LS244功能示意图（课本P248）,74LS245是8路3态双向缓冲驱动，也叫做总线驱动门电 路或线驱动。主要使用在数据的双向缓冲，增强驱动能力。 它比74LS244增加了一个方向控制端。其逻辑结构如图6-8 所示。,双向三态缓冲器74LS245（结合P248 8.1.3）,图6-8 74LS245的逻辑功能图,74LS245是一种通用的8位双向总线数据收发器芯片，常用于控制两组总线数据之间传递。假设A总线与芯片的A0A7相连，B总线与芯片的B0B7相连，则芯片既可以控制数据从A总线到B总线传递，也可以控制数据从B总线到A总线传递。,图

14、8-3 74LS245功能示意图（课本P248）,由于三态门器件没有数据的保持能力，所以它一般只用 作输入接口，不能直接用作数据输出接口。数据输出接口通常 是用具有信息存储能力的双稳态触发器来实现。最简单的输出 接口可用D触发器构成。 74LS273内部包含了8个D触发器，可存放8位二进制信 息，具有数据锁存的功能。其中 D7D0 是输入，Q7Q0是输 出，常用来作为并行输出接口，将CPU的数据传送到外部I/O 设备。其结构和电路连接如图6-9所示。,锁存器74LS273,图6-9 74LS273的结构原理图、电路连接图,74LS374 也是经常用到的一种电路芯片，从引线上它比 74LS373

15、多了一个输出允许端OE。只有当OE0时 74LS374的 输出三态门才导通。当OE1 时，则呈高阻状态。 74LS374 在用作输入接口时，端口地址信号经译码电路接 到OE端，外设数据由外设提供的选通脉冲锁存在74LS374 内部。 当 CPU 读该接口时，译码器输出低电平，使74LS374的输出三 态门打开，读出外设的数据；如果用做输出接口，也可将OE端 接地，使其输出三态门一直处于导通状态，这样就与74LS273 一样使用了。用 74LS374作为输入和输出接口的电路，如图6- 10和图6-11所示。,锁存器74LS374,图6-10 74LS374作为输出接口,图6-11 74LS374

16、用作输入接口,LED数码显示器是一种由LED发光二极管组合显示字符 的显示器件。 它使用了8个LED发光二极管，其中7个用于显示字符，1 个用于显示小数点，故通常称之为7段发光二极管数码显示器。,LED数码管,LED数码显示器有两种连接方法：,共阳极接法: 把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时 公共阳极接+5V，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入 端相连。 共阴极接法: 发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公 共阴极接地。每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端 相连。,VCC,由于发光二极管发光时，通过的平均电流为1020mA， 而通常的输出锁存器不能提供这么大的电流，所以LE

17、D数码 管各段必须接驱动电路，要求段驱动电路能提供额定的段导 通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的 限流电阻。 为了显示字符，要为LED显示器提供显示段码（或称字 形代码），组成一个“8”字形字符的7段，再加上1个小数点 位，共计8段，因此提供给LED显示器的显示段码为1个字 节。各段码位的对应关系如表6-1所示。,表6-1 LED数码管各段码位对应关系,要使数码管显示出相应的数字或者字符必须使段数据口输 出相应的字形编码。如表6-2所示，字型码各位定义如下：数 据线D0与a字段对应，D1字段与b字段对应.，依次类推。如 使用共阳极数码管，数据为0表示对应字段亮，数据为1表示对

18、 应字段暗；如使用共阴极数码管，数据为0表示对应字段暗， 数据为1表示对应字段亮。如显示“0”，共阳极数码管的字型编 码为：11000000B（即C0H）；共阴极数码管的字型编码为： 00111111B（即3FH）。依次类推可求得数码管字型编码如表 6-2所示。,表6-2 LED数码管字型编码表,对于多位数码显示器来说，为了简化线路、降低成本， 往往采用以软件为主的接口方法，即不使用专门的硬件译码 器，而采用软件程序进行译码。如前所述，由于各位数码管 的显示段码是互相并联的，因此在同一时刻只能显示同一种 字符。对于这种接口电路来说，其显示方法有静态显示和动 态显示两种。,定义：当显示器显示某一

19、个字符时，相应的发光二极管 恒定地导通或截止。 特点：每一位都需要有一个8位的输出口控制，所以占用 硬件多，一般用于显示器位数较小的场合。 为了将一个十六进制数在一个LED上显示出来，就需要 将十六进制数译为LED的7位显示代码。一种方法是采用专用 的带驱动的LED段译码器，实现硬件译码；另一种常用的方 法是软件译码（常用）。,静态显示,图6-14 7段LED数码管及按钮的一种接口电路,定义：就是一位一位地轮流点亮各位显示器（扫描）。对于每一位显示 器来说，每隔一段时间点亮一次。 一般实际使用时，往往要用几个数码管实现多位显示。这时，如果每一 个数码管占用一个独立的输出端口，那么将占用太多的端

20、口；而且驱动电路的 数目也很多。所以，要从硬件和软件两方面想办法节省硬件电路。 图6-15是多位数码管显示的接口电路，这是一种常用的方案。在这种方案 中，硬件上用公共的驱动电路来驱动各数码管；软件上用扫描方法实现数字显 示。采用扫描的方式驱动多位7段LED数码管，节省驱动电路，降低功耗，保 证一定的扫描循环频率，得到较好的显示质量。 各位7段LED数码管公用一个段驱动器、一个段码锁存器，为段驱动器提 供逻辑输入。每位7段LED数码管的公共端连接一个位驱动器，控制各位数码 管的点燃。位驱动器由一个位码锁存器提供输入逻辑电平。显示器在系统中占 用两个端口号：段码口与位码口。,动态显示,图6-15

21、多位数码管显示的一种接口电路,综上所述，只要CPU通过段控制端口送出段代码，然后通过位控制端 口送出位代码，指定的数码管便显示相应的数字。如果CPU顺序地输出段 码和位码，依次让每个数码管显示数字，并不断地重复，当重复频率达到 一定程度，利用人眼的视觉暂留特性，从数码管上便可见到相当稳定的数 字显示。 上述多位显示电路中，往往要用软件完成段译码，并花费CPU大量时 间去重复扫描每个数码管。为此，程序设计时可以开辟一个BuFF缓冲区， 存放要显示的数字，第一个数字在最左边的数码管显示，下一个数字送到 左边第二个数码管显示，依此类推。另外，还需要建立一个显示代码表 TABLE，从前向后依次存放0-

22、F对应的7段显示代码。显示代码是和硬件 连接有关的，在图6-15所示的接口电路中，数字0的显示代码为COH，l的 显示代码为F9H 。,6.3 简单I/O接口芯片的应用,6.3.2 简单I/O接口设计应用,例6-2 编写程序判断图6-16中的开关状态。如果 K0K2 开 关闭合，则其余开关断开，则程序转向标号为KEY1的程序 段执行；如果 K3K6 开关闭合，则其余开关断开，转向 标号为KEY2的程序段执行。另外，由图6-16可以看出，当 开关闭合时输入低电平。,图6-16 三态门输入接口,在图6-16中，三态门74LS244采用部分地址译码-地址线 A1和A0未参加译码，故它所占的地址为83FCH83FFH。可 以用其中任何一个地址，而其他重叠的3个地址空着不用。,6.4 直接存储器（DMA）存储方式,6.4.1 DMA概述,用DMA方式传送数据时，在存储器和外部设备之间，直 接开辟高速的数据传送通路。数据传送过程不要CPU介入， 只用一个总线周期，就能完成存储器和外部设备之间的数据 传送。因此，数据传送速度仅受存储器的存取速度和外部设 备传输特性的限制。,DMA传送包括：RAMI/O端口的DMA读传送；I/O端口RAM的 DMA写传送；RAMRAM的存储单元传送。DMA传送过程如图 6-17所 示，从图中可以看出，系统总线分别受到CPU和DMAC这两个器件的控制， 即C