IO设备与CPU和存储器的连接
8086对存储器和io端口的编址方式
8086是intel公司推出的一款16位微处理器，它采用了20位位置区域总线，能够寻址1MB的内存空间。
在8086中，存储器和I/O端口的编址方式对于系统的设计和应用具有重要意义。
本文将围绕8086对存储器和I/O端口的编址方式展开深入探讨。
一、存储器的编址方式1. 实位置区域模式8086微处理器最初工作在实位置区域模式下，通过物理位置区域直接对存储器进行寻址。
在实位置区域模式下，8086可以访问的存储器空间为1MB，位置区域空间范围为0xxxx~0xFFFFF。
2. 分段位置区域模式为了克服实位置区域模式下1MB内存的局限性，8086引入了分段位置区域模式。
在分段位置区域模式下，8086通过段基址寄存器和偏移位置区域的组合来访问存储器，可以实现对更大容量的存储器进行访问。
3. 段基址寄存器在分段位置区域模式下，8086中的段基址寄存器包括CS（代码段寄存器）、DS（数据段寄存器）、ES（额外段寄存器）和SS（堆栈段寄存器），它们分别用来存放代码段、数据段、额外段和堆栈段的基址。
4. 偏移位置区域8086微处理器中，偏移位置区域用来表示段内的相对位置区域，它的范围为0~xxx。
5. 分段位置区域的形式在8086中，物理位置区域的计算方式为：物理位置区域=段基址×16+偏移位置区域。
通过这样的方式，8086可以实现对1MB范围内的存储器进行寻址。
二、 I/O端口的编址方式1. 端口编址方式8086微处理器通过端口编址方式来对I/O设备进行访问，I/O端口的位置区域空间范围为0~xxx。
2. IN指令和OUT指令8086微处理器提供了IN指令和OUT指令用于进行I/O端口的读写操作。
IN指令用于从指定端口读取数据，OUT指令用于向指定端口写入数据。
3. I/O端口位置区域的分配在8086系统中，I/O端口位置区域的分配由外围设备的制造商进行规划，保证不同的外围设备具有不同的端口位置区域，从而避免了位置区域冲突。
计算机组成原理——IO接口以及IO设备数据传送控制方式
计算机组成原理——IO接⼝以及IO设备数据传送控制⽅式接⼝可以看作是两个部件之间交接的部分。
硬件与硬件之间有接⼝，硬件与软件之间有接⼝，软件与软件之间也有接⼝。
这⾥我们所说的I/O接⼝，⼀边连接着主机，⼀边连接着外设。
I/O接⼝的功能I/O接⼝的基本结构CPU和外设之间通常传递的信息：数据、状态、控制。
组成:寄存器组、控制逻辑电路、主机与接⼝和接⼝与I/O设备之间的信号联接线、数据地址线、控制状态信号线。
其实中间红框内的部分就是对应到电路板上的插⼝，⼜分为内部接⼝和外部接⼝两种。
内部接⼝：与系统总线相连，实质上是与内存、CPU相连。
数据的传输⽅式也只能是并⾏传输。
外部接⼝：通过接⼝电缆与外设相连，外部接⼝的数据传输可能是串⾏⽅式，因此I/O接⼝需具有串并转换功能。
接⼝与端⼝接⼝就是I/O接⼝，端⼝实质接⼝电路中可以被CPU访问的寄存器。
I/O端⼝及其编址为了便于CPU对I/O设备进⾏寻址和选择，必须给众多的I/O设备进⾏编址，也就是说给每⼀台设备规定⼀些地址码，称之为设备号或端⼝地址。
统⼀编址：与存储器共⽤地址，⽤访存指令访问I/O设备。
独⽴编址：单独使⽤⼀套地址，有专门的I/O指令。
接⼝类型I/O设备数据传送控制⽅式1.程序直接控制传送⽅式⼜叫查询⽅式。
是完全通过程序来控制主机和外围设备之间的信息传送。
通常的办法是在⽤户的程序中安排⼀段由输⼊输出指令和其他指令所组成的程序段直接控制外围设备的⼯作。
也就是说CPU要不断地查询外围设备的⼯作状态，⼀旦外围设备“准备好”或“不忙”，即可进⾏数据的传送。
该⽅法是主机与外设之间进⾏数据交换的最简单、最基本的控制⽅法。
⽆条件传送：只有在外设总处于准备好状态程序查询⽅式优点：较好协调主机与外设之间的时间差异，所⽤硬件少。
缺点：主机与外设只能串⾏⼯作，主机⼀个时间段只能与⼀个外设进⾏通讯，CPU效率低。
程序查询⽅式接⼝结构：⼀次只能查询⼀个字的原因？在这种传送⽅式下，外部数据是要存到CPU寄存器中的，故需要⼀个字。
关于IO端口和编址方式的知识
关于I/O端口和编址方式的知识以下涉及到的指令都是汇编指令，如IN、OUT、STI、CLI、MOV等。
一：I/O端口知识1．什么是I/O端口? CPU使用什么指令与外设进行数据交换?答：CPU与I/O设备通过硬件接口或控制器相连接，这些接口或控制器都有数量不等的端口，这些端口有统一的位置编码，CPU通过这些端口使用输入输出指令IN、OUT与外设进行数据交换。
2．CPU为什么不能用MOV指令进行I/O数据传输？答：在80x86微机系统中，I/O端口编址在一个独立的位置空间中，它和存储器是完全分离的。
因此，对于存储器的存取操作使用MOV指令，而与端口进行信息交换的操作使用专门的I/O指令，二者不能混淆。
3．使用查询方式进行输入输出的优缺点是什么?答：使用查询方式编程可直接在端口级上输入输出信息，数据的传送速度和吞吐量比较高，另外在控制多个设备的I/O时，可在程序中安排它们的优先级，最先查询的设备，其工作的优先级也最高。
修改程序中的查询次序，实际上也就修改了设备的优先级，这样以最简便的方法实现了对设备优先级的控制。
查询方式的缺点主要是在查询过程中，要反复的查询等待，浪费了CPU原本可执行大量指令的时间，而且由询问转向相应的处理程序的时间较长，尤其在设备比较多的情况下。
4．什么是中断?答：计算机在执行程序过程中，遇到需要处理的事件时，暂停当前正在运行的程序，转去执行有关的服务程序，处理完后自动返回原程序，这个过程称为中断（interrupt）。
中断在现代计算机系统中是一种非常重要的技术，输入输出设备和主机交换数据、分时操作、实时系统、多处理机系统、计算机网络和分布式计算机系统都要用到这种技术。
5．中断分为几类?答：中断可分为内中断和外中断。
内中断是由计算机内部原因引起的中断，内中断又称为软中断，它通常由三种情况引起：(1) 由中断指令INT引起；(2) 由于CPU的某些错误而引起，如溢出中断、除法错中断等；(3) 为调试程序（DEBUG）设置的中断，如单步中断、断点中断；外中断指由外部事件引起的中断，又称为硬中断。
《微型计算机原理与接口技术》(第四版)课后习题答案
答：（1）13.25
（2）57.1875
（3）43.3125 （4）7.0625
10. 将下列十六进制数转换为十进制数。
（1）A3.3H
（2）129.CH
（3）AC.DCH
（4）FAB.3H
答：（1）163.1875 （2）297.75
（3）172.859375 （4）4011.1875
11. 将下列十进制数转换为二进制、八进制、十六进制。
第一章
1. 什么是冯·诺依曼机？ 答： 冯·诺依曼于 1945 年提出了存储程序的概念和二进制原理，利用这种概念和原 理设计的电子计算机系统统称为冯·诺依曼机。
它包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个组成部分。 早期的冯·诺依曼机结构上以运算器和控制器为中心，随着计算机体系结构的发展， 现在已演化为以存储器为中心的结构。
（1）102 （2）44 （3）301 （4）1000
答：（1）[102]压缩 BCD=00000001 00000010B
[102]非压缩 BCD=00000001 00000000 00000010B
（2）[44]压缩 BCD=01000100B
[44]非压缩 BCD=00000100 00000100B
的 32/64 位标准总线。数据传输速率为 132MB/s，适用于 Pentium 微型机。PCI 总线是同步
且独立于微处理器的，具有即插即用的特性，允许任何微处理器通过桥接口连接到 PCI 总
线上。
USB总线，通用串行总线（Universal Serial Bus），属于外部总线的一种，用作微处理机
（1）23 （2）107 （3）1238 （4）92
答：（1）23D=27Q=17H
存储器与CPU的连接
5.4.2 存储器容量的扩充
当一片存储器芯片的容量不能满足系统要求时， 当一片存储器芯片的容量不能满足系统要求时， 需多片组合以扩充位数或单元数。 需多片组合以扩充位数或单元数。这就是所谓的存 储器容量扩充。 储器容量扩充。 字扩充：扩充存储器的存储单元，如果把存储器视 字扩充：扩充存储器的存储单元， 为一个矩阵， 为一个矩阵，这字扩充就是行扩充 位扩充：扩充存储器的一个单元的位数，也就是矩 位扩充：扩充存储器的一个单元的位数， 阵的列扩充。 阵的列扩充。
3．存储器的地址分配和片选问题 内存通常分为RAM 和 ROM两大部分 内存通常分为 RAM和 ROM 两大部分 ， 而 RAM 又分 两大部分， RAM又分 为系统区(即机器的监控程序或操作系统占用的区域) 为系统区(即机器的监控程序或操作系统占用的区域) 地址分配是一个重要的问题 和用户区， 所以内存的地址分配 是一个重要的问题。 和用户区 ， 所以内存的 地址分配 是一个重要的问题 。 存储器芯片单片的容量有限， 存储器芯片单片的容量有限 ， 由多片存储器芯片组 成一个存储器系统，要求正确解决片选问题 片选问题。 成一个存储器系统，要求正确解决片选问题。
138译码器 138译码器
G1 G2A G2B 138 C B A
Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0
G G2 A G2 B 使能输入端
C B A Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0
≠1 0 =1 0
0 0
××× 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 … 1 1 1 0 1 1
除了数据线外， 除了数据线外，对应 相连
2．字（串联）扩充 串联） 8K× 位芯片6264构成 构成32K× 位的存储芯片组： 用4片8K×8位芯片6264构成32K×8位的存储芯片组：
CPU与存储器的连接
全译码法
除去与存储芯片直接相连的低位地址总线之外，将剩余的地址总线全部
送入“片外地址译码器”中进行译码的方法就称为全译码法。 其特点是物理地址与实际存储单元一一对应，但译码电路复杂。
A0~A12
8KB (1) CS 8KB (2) CS 8KB (8) CS
A13~A15
3-8 译码器
Y0 Y1
Y7
字扩展(扩大地址) A14 译 码 器 CS 1
A15
A0
2 CS
3
CS
CS
…
…
…
A13
WE D0 D1 D2 D3
D0 ~ D 3
WE
WE
D0 ~ D3
WE
…
16K×4
16K×4
16K×4
16K×4
D0 ~ D3
WE
D0 ~ D 3
2. CPU总线的负载能力 在设计CPU芯片时，一般考虑其输出线的直流负载能力为带一个TTL 负载。现在的存储器一般都为MOS电路，直流负载很小，主要的 负载是电容负载，故在小型系统中，CPU是可以直接与存储器相 连的，而较大的系统中，若CPU的负载能力不能满足要求，可以 （就要考虑CPU能否带得动，需要时就要加上缓冲器，）由缓冲 器的输出再带负载。
1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0
地 址范围 ×7FFFH ×B800H ×BFFFH ×C800H ×CFFFH ×E800H ×EFFFH ×F000H ×F7FFH ×7800H
ROM的分配也类似，所以内存的地址分配是一个重要的问题。
单片微型计算机原理及应用_课后习题答案
《单片微型计算机原理及应用》习题参考答案姜志海刘连鑫王蕾编著电子工业出版社目录第1章微型计算机基础 (2)第2章半导体存储器及I/O接口基础 (4)第3章MCS-51系列单片机硬件结构 (11)第4章MCS-51系列单片机指令系统 (16)第5章MCS-51系列单片机汇编语言程序设计 (20)第6章MCS-51系列单片机中断系统与定时器/计数器 (26)第7章MCS-51系列单片机的串行口 (32)第8章MCS-51系列单片机系统扩展技术 (34)第9章MCS-51系列单片机键盘/显示器接口技术 (36)第10章MCS-51系列单片机模拟量接口技术 (40)第11章单片机应用系统设计 (44)第1章微型计算机基础1．简述微型计算机的结构及各部分的作用微型计算机在硬件上由运算器、控制器、存储器、输入设备及输出设备五大部分组成。
运算器是计算机处理信息的主要部分；控制器控制计算机各部件自动地、协调一致地工作；存储器是存放数据与程序的部件；输入设备用来输入数据与程序；输出设备将计算机的处理结果用数字、图形等形式表示出来。
通常把运算器、控制器、存储器这三部分称为计算机的主机，而输入、输出设备则称为计算机的外部设备（简称外设）。
由于运算器、控制器是计算机处理信息的关键部件，所以常将它们合称为中央处理单元CPU（Central Process Unit）。
2．微处理器、微型计算机、微型计算机系统有什么联系与区别？微处理器是利用微电子技术将计算机的核心部件（运算器和控制器）集中做在一块集成电路上的一个独立芯片。
它具有解释指令、执行指令和与外界交换数据的能力。
其内部包括三部分：运算器、控制器、内部寄存器阵列（工作寄存器组）。
微型计算机由CPU、存储器、输入/输出（I/O）接口电路构成，各部分芯片之间通过总线（Bus）连接。
以微型计算机为主体，配上外部输入/输出设备、电源、系统软件一起构成应用系统，称为微型计算机系统。
CPU与存储器的连接
(1)
中任三根 器
.
Y7
CS 2KB (2)
……..
2KB (8)
CS
D0---D7
数据总线
用A11、A12、A13来译码
A15 A14 A13 A 12 A11 A10------------A0 地 址范围
xx 0 0 0 0 xx 0 0 0 1 xx 0 0 1 0 xx 1 1 1 1 xx 0 1 1 0 xx 0 1 1 1 xx 1 0 1 0 xx 1 0 1 1 xx 1 1 0 0 xx 1 1 0 1
【例1】 用1K×4的2114芯片构成lK×8的存储器系统。 【分析】 由于每个芯片的容量为1K，故满足存储器系统的容量
要求。但由于每个芯片只能提供4位数据，故需用2片这样的 芯片，它们分别提供4位数据至系统的数据总线，以满足存储 器系统的字长要求。
【设计要点】 ➢ 将每个芯片的10位地址线按引脚名称一一并联，按次序逐根接至系统地
5-4 CPU与存储器的连接 【回顾】微型系统的系统总线结构及存储器组织。 【本讲重点】按实际应用的需要，由不同规格、类型的存储器芯片，通过与系
统 总线的连接，构成存储器系统。 微机系统的规模、应用场合不同，对存储器系统的容量、类型的要求也必 不相同，一般情况下，需要用不同类型，不同规格的存储器芯片，通过适当的 硬件连接，来构成所需要的存储器系统，这就是本节所需要讨论的内容。
WE D1
A13
D0
D0 D1 D2
D7
(3) 地址线的连接：将用以“字选”的低位地址总线直接与存贮 芯片的地址引脚相连，将用以“片选”的高位地址总线送入译 码器。
A19~A12
8086
A11~A0
译码器 A11~A0 2732
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6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接
选择 总线宽度
数据总线 宽度
传输块大小 总线主设备 分离事务 定时方式
高性能 独立的地址和
数据总线 越宽越快 （例如：64位） 块越大总线开销越小 多个（需要仲裁）
采用 同步
低价格 分时复用数据和
地址总线 越窄越便宜 （例如：8位） 每次传送单字 单个（无需仲裁）
同时都在工作。 n: 每台设备传送的字节数，这里假设每台设备
传送的字节数都相同。 k： 数组多路通道传输的一个数据块中的包含的
字节数。在一般情况下，k<n。对于磁盘、 磁带等磁表面存储器，通常k=512。 T： 通道完成全部数据传送工作所需时间。
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6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接
◆ 流量计算公式
需要将设备的状态信息送往主存指定单元保存。
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6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接
(8) 在数据传输过程中完成必要的格式变换。 例如 把字拆卸为字节，或者把字节装配成字
2. 通道的主要硬件 (1) 寄存器部分 数据缓冲寄存器 主存地址计数器 传输字节数计数器 通道命令字寄存器 通道状态字寄存器
(1) 接受CPU发来的I/O指令，根据指令要求选 择一台指定的外围设备与通道相连接。
(2) 执行CPU为通道组织的通道程序，从主存中 取出通道指令，对通道指令进行译码，并根 据需要向被选中的设备控制器发出各种操作 命令。
(3) 给出外围设备的有关地址，即进行读／写操 作的数据所在的位置。 如 磁盘存储器的柱面号、磁头号、扇区号等。
异步 多个 0.014
异步 无
RS-232 2
9 / 25 0.04或异步
多个 0.192
异步 EIA, ITU-T
V.21
SPI 1 3 异步 多个 1
异步 无
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6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接
几种CPU-存储器互连系统
数据宽度(bit) 时钟频率(MHz) 总线的主设备数 每端口峰值带宽
不用 异步
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6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接
(1) 分离事务总线 在有多个主设备时，总线通过数据打包
来提高总线带宽，而不必在整个传输过程中 都占有总线。
地址 数据 等待
地址 1
地址 2
地址 3
数据 0
数据 1
等待 1
完成 1
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6.5 I/O设备与CPU和/存储器的连接
(2) 同步总线 同步总线上所有设备通过统一的总线系统
多个
533MB/ s
同步
无
多个
1066MB/ s
同步
无
6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接
几种常用串行I/O总线
数据宽度（bit） 信号线数量
时钟频率（MHz） 总线主设备数量
峰值带宽（Mb/s）
同步方式 标准
I2C 1 2 0.4 ～ 10 多个 0.4 ～ 3.4 异步 无
1-wire 1 1
(MB/s) 总峰值带宽(MB/s)
同步方式 标准
HP HyperPlane Crossbar 64 120 多个 960
IBM SP 128 111 多个 1700
SUN Gigaplane-XB
128 83.3 多个 1300
7680 同步 无
14200 同步 无
10667 同步 无
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6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接
6.5.2 设备的连接
1. 典型的总线连接
CPU－主存总线
Cache CPU
总线适配器
主存
I/O 总线
I/O 控制器
I/O 控制器
图形显示
I/O 控制器 网络
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6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接
2. CPU寻址I/O设备的方式 ◆ 存储器映射I/O或统一编址 ◆ I/O设备单独编址 无论选择哪一种编址方法，每个I/O设备 都提供状态寄存器和控制寄存器。
(2) 选择通道 ◆ 为多台高速外围设备服务； ◆ 传送数据期间，通道只能为一台高速外围设 备服务，在不同时间内可以选择不同设备。
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6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接
(3) 数组多路通道 ◆ 数组多路通道适于为高速设备服务； ◆ 每次选择一个高速设备后传送一个数据块， 并轮流为多台外围设备服务； ◆ 数组多路通道之所以能够并行地为多个高 速外围设备服务，是因为这些高速外围设 备并不能在整个数据输入输出时间内单独 利用通道的全部传输能力。
第六章 输入/输出系统
6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接
1. 通过接口将许多子系统连接起来 2. 接口使用得最多的就是总线 3. 输入输出方式
◆ 直接传送 ◆ 程序查询 ◆ 中断 ◆ DMA ◆ 通道
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6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接
6.5.1 总线
优点：低成本、多样性 缺点：必须独占使用，造成了设备信息交换的瓶颈，
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6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接
(2) 控制部分 分时控制 地址分配 数据传送 数据装配 拆卸
3. 通道对外围设备的控制通过I/O接口和设备控制 器进行 通道与设备控制器之间一般采用标准的I/O
接口来连接。
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6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接
4. 工作过程 (1) 在用户程序中使用访管指令进入管理程序， 由CPU通过管理程序组织一个通道程序，并 启动通道。 (2) 通道处理机执行CPU为它组织的通道程序， 完成指定的数据I/O工作。通道处理机执行 通道程序是与CPU执行用户程序并行的。 (3) 通道程序结束后向CPU发中断请求。CPU响应 这个中断请求后，第二次进入操作系统，调 用管理程序对I/O中断请求进行处理。
解决上述问题的方法：采用通道处理机
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6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接
6.5.3 通道
通道处理机能够负担外围设备的大部分I/O工作。 通道处理机：能够执行有限I/O指令，并且能够被多
台外围设备共享的小型DMA专用处理机。 1. 通道的功能
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6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接
3. 设备的连接和工作方式 直接传送、程序查询、中断、DMA、I/O处理机
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6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接
4. 程序控制、中断和DMA方式管理外围设备会引 起两个问题： ◆ 所有外围设备的I/O工作全部都要由CPU来 承担，CPU的I/O负担很重，不能专心于用 户程序的计算。 ◆ 大型计算机系统中的外围设备台数虽然很 多，但是一般并不同时工作。
响应 I/O 中断请求
时间
CPU 运行 I/O 管理程序
编制通道程序
启动 I/O 操作
通道运行存放在主存中的通道程序
组织 I/O 操作
登记或处理
向 CPU 发中断请求
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6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接
6. 通道种类 ◆ 通道分为三种类型 字节多路通道 选择通道 数组多路通道 ◆ 三种类型的通道与CPU、设备控制器和外围设备 的连接关系
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CPU 主存
字节多 路通道
通道总线
磁盘 控制器
……
磁盘 控制器
选择 通道
磁盘
磁盘 …… 磁盘
通道总线
设备 控制器
……
设备 控制器
数组多 路通道
设备
设备 …… 设备
通道总线
设备 控制器
……
设备 控制器
设备 …… 设备
设备
6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接
(1) 字节多路通道 ◆ 为多台低速或中速的外围设备服务； ◆ 采用分时方式工作，依靠它与CPU之间的高 速数据通路分时为多台设备服务。
选择通道
f MAX -SELECT
数组多路通道
( TS n
pn TD )pn
TS n
1 TD
f MAX - BLOCK
( TS k
pn TD )pn
TS k
1 TD
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6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接
◆ 实际流量小于最大流量 字节多路通道
f f BYTE
MAXBYTE
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6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接
(3) 选择通道的工作过程 每连接一个外围设备，就把这个设备的
n个字节全部传送完成，然后再与另一台设 备相连接。 8. 通道中数据的传送过程与流量分析 动画演示
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6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接
(1) 通道流量 一个通道在数据传送期间，单位时间内
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6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接
7. 通道中的数据传送过程 (1) 字节多路通道的数据传送过程 通道每连接一个外围设备，只传送一个 字节，然后又与另一台设备连接，并传送一 个字节。 (2) 数组多路通道的数据传送过程 每连接一台高速设备，传送一个数据块， 传送完成后，又与另一台高速设备连接，再 传送一个数据块。
字节多路通道
TBYTE (TS TD ) p n
选择通道
TSELECT
( TS n
TD ) p n
数组多路通道
TBLOCK
( TS k
TD ) p n
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6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接
◆ 最大流量
字节多路通道
pn