微机原理6-基本输入输出接口
微机原理知识点总结
何谓计算机？计算机是一种能够自动进行算术和逻辑运算的电子装置。
关键词：电子装置、运算、自动计算机特点：二进制、高速计算机的编码系统。
运算是计算机的核心功能。
它所有的扩展功能都和编码有关。
计算机中只能存储和处理二进制数码，一些数据、字符、汉字、图像声音等信息在计算机中都是用规定好的二进制组合代码来表示的，称为计算机的编码系统。
计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大基本部件组成：计算机分类: 超级计算机、大型计算机、小型计算机、微型计算机或个人计算机嵌入式计算机是目前发展最快, 应用最普及的计算机。
微型计算机或个人计算机CPU是电脑的核心，即中央处理器。
微型计算机的应用：1、科学计算2、信息处理3、计算机辅助技术4、过程控制5、人工智能6、网络通信总线是计算机系统模块化的产物。
分时和共享是总线的两个基本特性。
系统总线包括：地址总线、数据总线、控制总线。
微型计算机的性能指标：1. 运算速度2. 字长（目前常用的微型机都是32位或64 位。
）3. 存储器的容量常见的寄存器有:缓冲寄存器、移位寄存器、计数器、累加器。
微型计算机的软件系统：计算机软件是指支持计算机运行的各种程序，以及开发、使用和维护这些程序的各种技术资料的总称。
计算机的硬件和软件二者缺一不可，否则不能正常工作系统软件的主要功能是简化计算机操作，充分发挥硬件功能，支持应用软件的运行并提供服务。
应用软件处于软件系统的最外层，直接面向用户，为用户服务。
应用软件是为了解决各类应用问题而编写的程序，包括用户编写的特定程序，以及商品化的应用软件和套装软件。
程序设计语言，是人机交流信息的一种特定语言。
在编写程序时用指定的符号来表达语义。
8086 微处理器的内部结构1.构成：8086 由执行部件（EU）和总线接口部件（BIU）组成。
2.功能：执行部件（EU）负责指令的执行，总线接口部件（BIU）负责对总线的操作，进行与存储器或I／O 接口的数据交互。
《微机原理及接口技术》第六章
2、CPU对中断的响应
关中断：CPU响应中断后，发中断响应（INTA）信号的同时，内部自动实现关中断 保留断点：封锁IP+1，入栈保存CS：IP。 保护现场：由中断服务程序先将有关REG入栈保存。
给出中断入口、转相应的中断服务程序：中断服务程序起始地址，执行中断服务。
恢复现场：将中断服务程序入栈保存的REG内容弹出，恢复现场。 开中断与返回：中断服务的最后一条指令，出栈恢复CS：IP，恢复主程序运行，使IF自动恢
第十章
J X G
微型计算机开发应用
1/27
J X G
微机原理及接口技术 第六章、中断控制系统
本章要点：
J X G
中断的基本概念 中断处理过程 可编程中断控制器8259A的结构、功能 可编程中断控制器8259A的应用
2/27
J X G
微机原理及接口技术 6.1
一、中断的基本概念
中断系统
J X G
微机原理及接口技术
三、外部中断
8086芯片设置有两条中断请求信号输入引脚：NMI和INTR引脚，用于外部中断 源产生的中断请求，可分为以下两种： 1、可屏蔽中断 INTR （18脚） INTR线上的请求信号是电平触发的。当IF=0，CPU中断不响应，这种情况称为 可屏蔽中断。可屏蔽中断通过指令设置IF中断标志位，达到控制的目的。 STI CLI ；IF←1，开中断，CPU才能响应INTR线上的中断请求。 ；IF←0，关中断，CPU不响应INTR线上的中断请求。
对于系统专用中断，系统将自动提供0～4中断类型号，保证系统自动转到处理程序。
J X G
对于可屏蔽中断INTR，外接口电路产生中断类型号。目前8259A产生。
6 IO接口
微机原理与接口技术---Chapter6 I/O接口
6.2.2 I/O端口的编址方式
1. 端口地址和存储器地址统一编址，也称存 储器映射方式 2. I/O端口地址和存储器地址分开独立编址， 也称I/O映射方式
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CPU 信息类型 数字量 接口作用 模/数转换(A/D) 数/模转换(D/A) 三态缓冲、锁存 解决传送方式 串/并转换 并/串转换 三态缓冲、锁存 模拟量 数字量 慢 串行 并行
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外设
工作速度 通信方式
快 并行
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
微机原理与接口技术---Chapter6 I/O接口
20 AB 20 CPU 16 DB 16 存储器 （1MB） MEMR MEMW 控制逻辑 8 IOR IOW 16 I/O端口 （64K个）
R/W 控制
图6-2 独立编址方式
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微机原理与接口技术---Chapter6 I/O接口
I/O端口地址分配
缺点：
端口占用了存储器的地址空间，使存储器容量减小； 指令长度比专门I/O指令要长，因而执行速度较慢
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微机原理与接口技术---Chapter6 I/O接口
2. 独立编址方式
I/O端口地址空间和存储器地址空间是独立的、分开的， 即I/O端口地址不占用存储器地址空间。
存放CPU命令代码的寄存器称之为命令口 存放执行状态信息的寄存器称之为状态口
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微机原理与接口技术_第6章 IO接口
三、I/O端口编址 （续） 2.I/O独立编址(续)
缺点： 专用I/O指令增加指令系统复杂性，且I/O指 令类型少，程序设计灵活性较差； 要求处理器提供MEMR#/MEMW#和IOR#/IOW#两 组控制信号，增加了控制逻辑的复杂性。
三、I/O端口编址 （续）
PC系列微机I/O端口访问 1.I/O端口地址空间
程序控制方式
程序控制方式是指CPU与外设之间的数据传送由程序 控制完成。 程序控制方式又分为无条件传送和条件传送两种 1.无条件传送方式（同步传送） 特点：输入时假设外设已准备好，输出时假设外设 空闲。 要求：输入接口加缓冲器，输出接口加锁存器。 应用：对简单外设的操作。
1. 无条件传送方式（同步传送） 输入接口的设计要求:
寻 址 确定输入端口地址 AB、M/ IO、ALE、DT/R 等待数据输入 等待数据输入 输入缓冲器 读入数据 输入缓冲器 DB CPU
一、 I/O 接口的功能 （续）
3. I/O接口应具有的功能（解决的方案）
1） 设置数据缓冲器以解决两者速度差异所带来的 不协调问题； 输出时： CPU DB 锁存器 输出设备数据线
以上三类信息分别通过各自的寄存器和相应的控制逻辑 来完成信息的传送。通常将这类寄存器和相应的控制逻辑称 为I/O端口。CPU与一个外设之间通常有三个端口。数据端口 (输入/输出)；状态端口；控制端口。
二、I/O接口的一般结构 （续） I/O接口组成：接口由接口硬件和接口软件组成。 1.接口硬件
接口
这类接口面对总线，因此要使用三态输出器件； 对于输入信号有记忆功能的一般使用三态门； 对于输入信号无记忆功能的一般还要增加锁存功能；
1. 无条件传送方式（同步传送）
微机原理及接口技术
2. 什么是机器码？什么是真值？解：把符号数值化的数码称为机器数或机器码，原来的数值叫做机器数的真值。
3. 8位和16位二进制数的原码 、补码和反码可表示的数的范围分别是多少？ 解：原码（-127~+127）、（-32767~+32767）补码 (-128~+127）、（-32768~+32767） 反码（-127~+127）、（-32767~+32767）4.一般来说，其内部基本结构大都由 算数逻辑单元、控制单元、寄存器阵列、总线和总线缓冲器 四个部分组成。
高性能微处理器内部还有指令预取部件、地址形成部件、指令译码部件和存储器管理部件等。
二 1.总线接口单元BIU （Bus Interface Unit ）包括段寄存器、指令指针寄存器、20位地址加法寄存器和先入先出的指令队列、总线控制逻辑。
负责与存储器、I/O 设备传送数据，即BIU 管理在存储器中获取程序和数据的实际处理过程。
20位地址加法器将16位段地址和16位偏移量相加，产生20位物理地址。
总线控制逻辑产生总线控制信号对存贮器和I/O 端口进行控制。
IP 指针由BIU 自动修改，平时IP 内存储下条要取指令的偏移地址；遇到跳转指令后，8086将IP 压栈，并调整其内容为下条要执行指令地址。
2.执行单元EU （Execution Unit ）包括ALU 、状态标志寄存器、通用寄存器、暂存器、队列控制逻辑与时序控制逻辑等。
负责指令的执行。
将指令译码并利用内部的ALU 和寄存器对其进行所需的处理。
3.EU 和BIU 的动作管理—流水线技术原则控制器运算器 寄存器输入/输出接口存储器 CPU主机外部设备应用软件系统软件微型机软件微型机系统 微型机硬件（1）每当8086的指令队列中有2个空字节且EU 未向BIU 申请读写存储器操作时，BIU 就会自动把指令取到指令队列中。
（2）每当EU 要执行一条指令时，它会先从BIU 的指令队列前部取出指令代码，然后执行指令。
微机原理及接口技术
微机原理及接口技术一、前言随着信息时代的到来，计算机技术的不断发展，微机技术已经得到了广泛的应用和发展。
微机原理及接口技术作为微机技术的重要基础，对于了解微机的结构和工作原理，以及实现微机与外部设备的通信具有十分重要的意义。
本文将围绕着微机的结构、工作原理以及微机与外部设备的接口技术进行详细的介绍和分析。
二、微机的结构微机是由中央处理器(CPU)、内存(MEM)、输入/输出(I/O)接口电路、总线(BUS)等部分组成的。
CPU是微机的核心部分，它能对数据进行处理、控制微机的运作；内存是储存数据和指令的地方，CPU可以直接对内存进行读取和写入操作；I/O接口电路是微机与外部设备之间进行数据交换的桥梁；总线则是将CPU、内存和I/O接口电路连接在一起，并传递数据和控制信息。
三、微机的工作原理微机的工作过程主要由指令执行和数据存取两个部分组成。
当CPU需要执行下一条指令时，会从内存中读取这条指令，然后进行解析并执行相应的操作。
当CPU需要访问数据时，会从内存中读取数据，并将数据写入内存中。
而CPU与输入/输出设备之间的通信也是通过I/O接口电路完成的。
CPU可以根据需要对内存进行读写操作，这是因为内存与CPU的速度非常接近，对内存的操作是非常快速的。
而CPU与外设之间通过I/O接口电路进行通信，则是因为I/O接口电路需要实现对不同类型的设备接口进行适配，对设备的操作速度也受到限制。
四、微机的接口技术为了实现微机与外部设备的通信，需要通过不同的接口技术来实现对不同类型设备的连接。
常用的接口技术有串行接口(Serial Interface)、并行接口(Parallel Interface)、通用串行总线(USB)、蓝牙接口(Bluetooth Interface)等。
其中，USB接口已经成为目前最为普遍的接口技术之一。
串行接口技术和并行接口技术是早期应用比较广泛的接口技术，它们的主要区别在于对数据的传输方式不同。
微机原理及接口技术知识点总结
微机原理及接口技术知识点总结微机原理和接口技术是计算机科学与技术专业中非常重要的一门课程，主要涉及到计算机的基本构造、工作原理和外部接口的设计与应用。
下面将对微机原理和接口技术的知识点进行总结，包括计算机的基本构成、计算机的工作原理、外部接口的设计与应用方面的内容。
一、计算机的基本构成1.主机和外部设备：计算机由CPU、内存、I/O设备组成。
外部设备包括输入设备（如键盘、鼠标）、输出设备（如显示器、打印机）和存储设备（如硬盘、光盘）等。
2.总线系统：计算机的内部通信系统，用于传输数据、地址和控制信号。
3.存储器：包括主存储器（RAM）和辅助存储器（硬盘、光盘等），主要用于存储指令和数据。
4.CPU：计算机的核心部件，包括控制单元和算术逻辑单元，负责执行指令和进行数据处理。
二、计算机的工作原理1.运行过程：计算机的运行过程分为取指令、译码、执行和访存四个阶段，其中取指令和访存是主存和CPU之间的数据交换，译码和执行是CPU对指令的操作过程。
2.指令周期：指令在计算机中的执行单位。
包括取指令周期、译码周期、执行周期和访存周期。
3.指令集结构：计算机支持的指令集合，分为精简指令集（RISC）和复杂指令集（CISC）。
4.中断和异常处理：当计算机发生中断事件（如外部设备请求）或异常情况（如除零错误）时，会中断当前指令的执行，并跳转到相应的中断处理程序或异常处理程序。
三、外部接口的设计与应用1.并行接口：通过多根信号线同时传输数据和控制信号，如并行打印接口（LPT）和辅助存储器接口（IDE）等。
2.串行接口：通过单根信号线逐位传输数据和控制信号，如串行通信接口（COM）和USB接口等。
3.总线接口：用于连接主机和外部设备之间的数据传输，如PCI总线和USB总线等。
4.DMA控制器：直接内存存取控制器，用于实现主存和外设之间的数据直接传输，减轻CPU的负担。
5.中断控制器：用于管理和处理外设的中断信号，实现中断的优先级和响应。
微机原理与接口技术输入输出接口技术
2021
2023
本章重点
O1
I/O接口的基本概念
O2
输入输出IN/OUT指令
O3
程序查询输入输出方式
O4
中断输入输出方式
O5
DMA输入输出方式
O6
I/O端口地址分配
6.1 接口技术基本概念
计算机系统的I/O接口
为什么输入输出设备不能像存储器一样直接连在总线上？
4
无条件方式 CPU认为外设的输入数据始终有效，随时可以输入；或外设的状态始终就绪，随时可以输出。
程序查询方式
CPU 和 I/O 串行工作
踏步等待
从I/O接口中读 一个字到CPU
从CPU向主存 写入一个字
CPU向I/O发 读指令
CPU读I/O状态
检查状态
Байду номын сангаас
完成否
未准备就绪
现行程序
问题的关键在于：输入时究竟什么时候输入设备数据成为就绪? 输出时什么时候输出设备的状态才成为就绪。很显然由于输入输出设备本身的速度差异很大，对于不同速度的外围设备，需要有不同的定时方式。
CPU与外围设备的定时有三种情况：
CPU和这类设备的数据交换不需要定时，CPU认为它们始终处于就绪状态，例如：机械开关，CPU认为输入设备的数据一定就绪，因为只要根据开关的闭/合就可以输入0/1信号；例如:显示二极管，CPU认为输出设备的状态一定就绪，因为只要CPU输出0/1信号，显示二级就可以灭/亮。
I/O接口的作用相当与一个转换器,它可以保证外围设备用计算机所要求的形式发送或接受信息。
I/O接口的功能
进行译码选址——在具有多台外设的系统中，外设接口必须能够进行地址译码，确定本设备是否被选中 转换信息格式——接口电路完成串／并转换、并／串转换 协调定时差异——为了缓解主机与外设之间的速度差异，对传输的数据或地址加以缓冲或锁存 提供联络信号——接口电路向主机提供外部设备“就绪”、“忙”，数据缓冲器“满”、“空”等状态信号 中断管理功能——接口电路有产生并管理中断请求和DMA请求的能力，以满足实时系统以及大批量数据传送的能力 可编程——对一些通用的接口电路，应该具有通过软件编程控制外设工作方式的能力 错误检测功能——对通信过程中的传输错误或者溢出错误能够进行实时检测
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基本输入输出接口
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
LE OE
CS
300 x 8
WR
MOV DX, 160H
MOV AL, [BX]
OUT DX, AL
27
无条件传送：输入输出接口
A0～A15 译码 8000H
两个端口地址共用8000H，怎 么区分？
+5V
-IOR -IOW
-G
K0
74LS244
K1
三态
缓冲器
K7
… …
D0～D7
28
CLK
74LS273
;将数据输出给数据端口
35
6.4 中断传送方式
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
主程序
中断请求
程序
断点
继
续
执
行
中断服务程序 入口
提 供 服 务
为 外 设
返回断点
传送流程
36
0
丰富
FFFFF
I/O
空间
0
内存 空间
80x86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：
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）
FFFFF
存 储 空 间
CS RD
MOV DX, 160H IN AL, DX
25
无条件传送：输出示例
D7～D0
A0～A14 A15
-IOW
地 址 译 码 器 CS
0160H
数 据
输 出
锁
设
存
备
器
MOV DX, 160H MOV AL, [BX] OUT DX, AL
26
无条件传送：输出实例
+5V 74LS373
数 据 总 线
传送流程
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
N
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
输入状态
就绪？ Y
数据交换
6.3.1 查询输入接口
输入 设备
-STB
8D 锁存器
+5V
-R DQ
8位 三态 缓冲器
中断请求时，没有更高级别的请求发生，如 RESET、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
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
问题1： CPU如何识别中断源？
中断源的识别 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）
45
中断查询接口
INTR
D0～D7
-IOR
A0～A15
译码
46
三态 缓冲器
… …
中断A
锁
中断B
存
中断C
器
中断H
8001H
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，先查的优先级高
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
D7～D0
三
态
I/O
A15～A1
地
址
译
缓
装
冲 器
置
OE
码 0160H
A0
CS 器
IOR
24
MOV DX, 160H IN AL, DX
无条件传送：输入示例
74LS244
10K x 8 +5V
数 据 总 线
G1 G2
接口 电路
I/O 设备
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
⑴ 对输入输出数据进行缓冲
驱动、隔离和锁存
⑵ 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。
jz status ;D0＝0，未就绪，继续查询
inc dx ;D0＝1，就绪，DX指向数据端口
in al,dx ;从数据端口输入数据
33
6.3.2 查询输出接口
输出 设备
-ACK
8D 锁存器 +5V QD
R 1位 三态
缓冲器
状态口
D0～D7
-IOW
8001H
D7
译码
A0～A15
8000H
-IOR
8D 锁存器
74LS06
反相 驱动器
LED0
LED7
+5V
无条件传送：输入输出接口
mov dx,8000h ;DX指向数据端口
next: 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，LED0亮还是灭？
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
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储器
例：书P157，图6-2
17
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
34
查询输出接口
mov dx,8000h ;DX指向状态端口
status: 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
;D7＝1，未就绪，继续查询
inc dx
;D7＝0，就绪，DX指向数据端口
mov al,buf ;变量buf送AL
out dx,al
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： ⑴ 数据寄存器
保存外设给CPU和CPU发往外设的数据
⑵ 状态寄存器
保存外设或接口电路的状态
⑶ 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）：
+5V DRQ 中断请求 触发器
8位 三态 缓冲器
123、数C根P据U响准中应备断中好向， 产断量生，中接找断收到请中求断服 信向程号量序号，读取数 40据
中断允许 触发器
数据口
8001H
译码
三态 缓冲器 中断向量号（ 8259提供）
D0～D7
-IOR
A0～A15
INTR -INTA
D0～D7
？中断向量如何获取
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
38
CPU对中断请求的检测是有规律的： 一般是在每条指令的最后一个时钟周 期采样中断请求输入引脚
本章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
中断输入接口（向量中断）
输入 设备
-STB
8D 锁存器
1. 中断请求（外设）