微机原理与接口技术v2015-第6章

Principle of Microcomputer and Interface Technology Electronics Information EngineeringSichuan University EI第 6 章微机原理与接口技术第6章输入输出接口技术教学重点●I/O端口地址译码与读写控制●输入输出传送方式I/O接口概述•微机的外部设备多种多样，各方面彼此差别很大。

–工作原理不同机械、电子、机电、电磁……–传送信息类型多样数字量、模拟量、开关量–传送速度差别极大–传送方式不尽相同串行、并行–编码方式不同二进制、BCD码、ASCII码……•它们不能与CPU直接相连，必须经过中间电路与CPU相连。

•这部分电路被称为I/O接口电路。

I/O接口概述•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。

•PC机系统板的可编程接口芯片、I/O总线槽的电路板（适配器）都是接口电路。

•什么是I/O接口（电路）？CPU接口电路I/O 设备主板各种接口卡网卡视频采集卡显卡声卡I/O接口的主要功能(1) 地址译码和设备选择(2) 信息的输入和输出(3) 信息转换并串、DA/AD转换数据格式电平转换(4) 对外设的控制与监测(5) 中断或DMA管理(6) 可编程(7) 错误检测CPU与I/O设备之间的接口信息•数据信息(Data)–数字量：以二进制形式表示的数–模拟量–开关量：表示两个状态的量，可用1位二进制数表示•状态信息(Status)–反映外设当前所处的工作状态，是外设通过接口传送给CPU的，如READY,BUSY •控制信息(Control)–CPU通过接口传送给外设的信息，如启停I/O 接口的典型结构控制总线CB 地址总线ABI/O 接口电路数据控制状态数据总线DBCPU外设控制寄存器状态寄存器数据寄存器CPU 如何与I/O 接口电路通信？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：（1）数据寄存器–输入数据寄存器：保存外设给CPU的数据–输出数据寄存器：保存CPU给外设的数据（2）状态寄存器–保存外设或接口电路的状态（3）控制寄存器–保存CPU给外设或接口电路的命令•主要体现在引脚上，分成两侧信号。

•面向CPU一侧的信号：–用于与CPU连接–主要是数据、地址和控制信号•面向外设一侧的信号：–用于与外设连接–提供的信号五花八门–功能定义、时序及有效电平等差异较大•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。

•接口需要进行物理连接，还需要编写接口软件。

•接口软件主要完成：–初始化——设定芯片工作方式等–数据交换——管理、控制、驱动外设，负责外设和系统间信息交换I/O 端口的编址•接口电路占用的I/O端口有两类形式。

•独立编址方式（或称I/O映射编址）–I/O地址空间独立于存储地址空间–如8086/8088•统一编址方式（或称存储器映射编址）–I/O与存储器共享一个地址空间–如M6800，ARMI/O 端口独立编址•优点：–I/O端口地址不占用存储器地址空间–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–要求提供I/O读写控制信号，增加了复杂性内存空间I/O空间FFFFFFFFFI/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–外设数目几乎不受限制，而只受总存储容量的限制–读写控制逻辑较简单•缺点：–I/O端口要占去部分存储器地址空间–程序中不易分清访问内存还是访问外设内存部分I/O部分存储器空间00000FFFFF8088/8086的I/O端口•采用I/O 端口独立编址•程序员能看到的外设是端口。

•CPU用于寻址外设端口的地址线为16根。

–端口最多为216＝65536（64K）个–端口号为0000H ~ FFFFH•每个端口用于传送一个字节的外设数据。

•实际上PC机只用了1024个端口：–端口号为0000H ~ 03FFH–地址线只用10条A0～A9回顾8088/8086的端口寻址方式•8088/8086的端口无需分段，设计有两种寻址方式。

•直接寻址：只用于寻址00H ~ FFH前256个端口，操作数i8表示端口号。

•间接寻址：可用于寻址全部64K个端口，DX寄存器的值就是端口号。

•对大于FFH的端口只能采用间接寻址方式。

回顾8088/8086的输入输出指令•输入指令（IN：将外设数据传送给CPU内的AL/AX）IN AL, i8;字节输入IN AL, DX;字节输入IN AX, i8;字输入IN AX, DX;字输入•输出指令（OUT：将CPU内的AL/AX数据传送给外设）OUT i8, AL;字节输出OUT DX, AL;字节输出OUT i8, AX;字输出OUT DX, AX;字输出IN 指令实例（从20H 端口输入一个字）；方法1：直接寻址，字量输入in ax, 20h；方法2：间接寻址，字量输入mov dx, 20hin ax, dx；方法3：直接寻址，字节量输入in al, 21hmov ah, alin al, 20h；方法4：间接寻址，字节量输入mov dx, 21hin al, dxmov ah, aldec dx in al, dxOUT指令实例（向300H端口输出一个字节）；唯一的方法：间接寻址，字节量输出mov al, bvar；bvar是字节变量mov dx, 300hout dx, alI/O地址译码方法•I/O地址的译码方法与存储器地址的译码方法一样。

•每个接口电路通常占用几个I/O地址（等效于存储器的存储单元）•高位地址线与CPU的控制信号结合，经译码电路产生I/O接口芯片的片选信号。

•低位地址线直接连到I/O接口芯片，实现I/O接口芯片的片内寻址。

I/O接口通常与总线连接（如ISA总线）常用引脚IOR、IOWAEN:AEN为高是DMA操作,为低是I/O操作AEN是DMAC发出的信号。

A-A:地址线总线读写控制信号转换I/O读I/O写存储器读存储器写•利用门电路进行地址译码。

A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0 110101111035EHA9A8A7A6A5A4A3A2A1A035EH&11AEN1IOW11CS•利用译码器电路进行地址译码。

A 9A 8A 7A 6A 5A 4A 3A 2A 1A 01101000x x x全地址译码电路340H 341H 342H 343H 344H 345H 346H 347HALS138译码器A 2A 1A 0AENA 7A 5A 4A 3&A 9A 8A 6&C B AY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7G3G1G2A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0 00000x x x x x 00001x x x x x00011x x x x x →000H~01FH →020H~03FH00010x x x x x→040H~05FH→060H~07FHIN AL, 21HOUT 43H, AL•端口数目是1024个,端口地址空间从000~3FFH，由地址线A~A9进行译码。

•I/O接口电路大体上分为两类：–主板上的I/O接口芯片–扩展槽上的I/O接口控制卡•I/O端口地址空间也分为两部分：–前256个端口（000~0FFH）专供I/O接口芯片使用。

–后768个端口（100~3FFH）为I/O接口控制卡使用。

–P232表6-1和6-2•凡是被系统配置占用了的端口地址一律不能使用。

•从原则上讲，未被系统占用的地址用户都可以使用；•但对计算机厂家申明保留的地址不要使用，以免发生I/O端口地址重叠和冲突造成所设计的产品与系统不兼容。

•通常，用户可使用300H~31FH，这是PC系列微机留作实验卡用的。

•在用户可用的I/O地址范围内，为了避免与其他用户开发的接口控制卡发生地址冲突，最好采用地址开关。

在windows中查看接口地址I/O 地址译码电路的方式(4)•开关式可选择地址译码。

拨码开关8位数据比较器74 LS688当P~P7与Q0~Q7状态一致时，P=Q输出低电平。

本例中要使译码有效，A9、AEN必须为多少?输入输出传送方式•外设与微机之间的信息传送实质是CPU与接口之间的信息传送。

•CPU输入输出数据的方式：–无条件–查询–中断–DMA•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。

•特点：直接与外设进行数据传送。

这就是无条件传送，或称同步传送。

•适合于简单设备，如LED数码管、按键或按钮等。

•无条件传送的接口和操作均十分简单。

前提：外设必须随时就绪。

无条件传送输入接口示例IOR三态缓冲器OEI/O装置地址译码器D7～D0A15～AAEN0160HMOV DX,160HIN AL, DX输入接口的实例74LS244+5V10K x 8G 1G 2数据总线CS IOR；假设端口地址为160HMOV DX, 160H IN AL, DX无条件传送输出接口示例地址译码器数据锁存器A 15-A 0IOWAEN 0160H 输出设备D 7-D 0MOV DX, 160H OUT DX, AL输出接口的实例+5V74LS373300×8LE OE数据总线CS IOW；打开所有LED 灯MOV DX, 160H MOV AL, 00H OUT DX, AL输入输出实例——根据开关输入让相应的灯亮K7K1K0+5V D 0～D 7A 0～A 15CLKLS06反相驱动器LS2738D 锁存器LS244三态缓冲器210H译码+5VLED0LED7……GIOWIOR接口程序next:mov dx,210h；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；重复教材上的原理图查询传送方式•CPU需要先查询外设的工作状态，然后在外设就绪后实现数据输入或输出。

•又称条件传送方式。

•查询传送的特点–工作可靠，适用面宽；–但传送效率低。

就绪的含义•在输入场合–说明输入接口已准备好送往CPU的数据，正等着CPU来读取。

–也可用接口中数据缓冲器已“满”来描述。

•在输出场合–说明输出接口已做好准备，等待接收CPU要输出的数据。

–也可用接口数据缓冲器已“空”、或者用外设“闲”或不“忙”（Busy）来描述。

查询传送的两个环节⑴查询环节–寻址状态端口–读取状态寄存器的标志位–若不就绪就继续查询，直至就绪⑵传送环节–寻址数据端口–输入：通过输入指令从数据端口读入数据–输出：通过输出指令向数据端口输出数据输入状态就绪？数据交换Y N查询传送流程查询输入接口查询输入接口程序mov dx, STATUS_PORT；DX指向状态端口status:in al, dx；读状态端口test al, 80h；测试标志位D7jz status；D＝0,未就绪,继续查询7mov dx, DATA_PORT；D7＝1,就绪,DX指向数据端口in al, dx；从数据端口输入数据查询输出接口查询输出接口程序mov dx, STATUS_PORT；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D7jnz status；D＝1,未就绪,继续查询7mov dx, DATA_PORT；D7＝0,就绪,DX指向数据端口mov al,buf；变量buf送ALout dx,al；将数据输出给数据端口查询接口综合举例D 4D 2D 1D 0控制端口04H 数据端口(02H)D 7CPU 数据总线DB状态端口(03H)控制端口(04H)A/D 转换器多路开关Vin7Vin08路输入模拟量1路模拟量读选通READY 读选通启动D4D 2D 1 D 08位数据写选通•选择模拟量输入：(D 2D 1D 0)３位控制多路开关，选择8路模拟量输入。