基本I讲义O接口简介
I-O接口概述
如图所示，接口是CPU与内存及CPU与外部设备之间通 过总线进行连接的逻辑结构(电路)，是一个特定的管理/协调 和信息缓冲部件，前者称为存储器接口，后者称为I/O接口。 选用不同的外部设备(简称外设)，配置相应的接口电路，可以 构成不同用途的应用系统。下面主要讨论I/O接口。
1.1接口
1.1 I/O设备与I/O接口
最后，若I/O设备直接由CPU控制，也会使外设的硬件结构 依赖于CPU，对外设本身的发展不利。I/O接口的引入，使得 CPU对I/O设备的操作转化为对I/O
接口技术是把由微处理器、存储器等组成的基本系统与外 部设备连接起来，从而实现计算机与外部设备通信的一门技术。 微处理器通过总线与接口电路连接，接口电路再与外部设备连 接，因此CPU总是通过接口与外部设备发生联系。微机的应用 是随着外部设备的不断更新和接口技术的发展而深入到各个领 域的。实际上，任何一个微机应用系统的研制和设计，主要就 是微机接口的研制和设计，需要设计的硬件是一些接口电路， 所要编写的软件是控制这些电路按要求工作的驱动程序。
为了将计算机应用于数据采集、参数检测和实时控制等领 域，则必须向计算机输入反映测控对象的状态和变化的信息， 经过中央处理器处理后，再向控制对象输出控制信息。这些输 入信息和输出信息的表现是千差万别的,可能是开关量或各种不 同性质的模拟量，如温度、湿度、压力、流量、长度、刚度和 浓度等，因此需要把各种传感器和执行机构与微处理器或微机 连接起来。所有这些设备称为外部设备或输入/输出设备(I/O设 备)。
《I-O接口和总线I》课件
I-O接口和总线是计算机系统中的重要组成部分，本课程将详细介绍它们的定 义、作用、分类以及应用前景等内容。
I-O接口和总线的定义
1 什么是I-O接口和总线？
I-O接口和总线是计算机系统中用于连接外部设备和中央处理器的通信通道。
2 作用
I-O接口和总线起到数据传输和协调的作用，实现计算机与外设之间的交互。
I-O控制器的作用
1 定义
I-O控制器是用于管理和控制外设的芯片或电路。
2 作用
监控外设的状态、接收和发送数据、协调外设与计算机之间的通信等。
USB总线和Firewire总线
1
USB总线
U niversal Serial Bus，广泛应用的外部设备接口，支持热插拔。
2
Firewire总线
IEEE 1394，用于高速数据传输的接口，适用于音视频设备。
3
Thunderbolt总线
高速数据传输接口，用于连接外部存储设备和显示器。
I-O通知处理器发生了重要事件，启 动相应的中断处理程序。
DMA
直接存储器访问，允许外设直接访问系统内存， 提高数据传输效率。
端口和寄存器
1
端口
与计算机系统连接的接口，用于数据
寄存器
2
的输入和输出。
用于存储控制和状态信息，对I-O操作
进行管理。
3
寄存器与端口的关系
寄存器是端口的一部分，用于控制和 管理端口的功能。
控制总线
用于控制信息的传输和处理。
PCI总线和ISA总线
PCI总线
Perip heral C o m p o nent Interco nnect，高性 能总线，被广泛应用于主板上的扩展插槽。
IO接口技术综述
（1） 独立的控制结构，使其可与存储器分开进行设计。
（2） 单独的I/O指令，可与访问存储器的指令区分。 （3） 指令地址较短，所需译码硬件较少。 （4） 指令格式较短，执行时间也短。
但是，其指令功能不强，且处理机芯片有额外的对 I/O进行操作的控制引脚。
三． 80X86的I/O指令
1.1微机接口与接口技术
❖ 接口 ❖ 接口技术 ❖ 接口技术在微机应用中的作用
1. 接口
1）微机系统的组成结构 微型计算机的硬件组成：中央处理器（CPU或 MPU）、存储器、I/O（输入/输出）设备及其 接口电路，通过系统总线相连，如图所示。
2）接口的概念 接口就是微处理器CPU与“外部世界”的连
I/O端口编址方式
一．存储器映象I/O寻址 1． 基本结构
从存储器空间划出一部分地址空间给I/O 设备，把I/O接口中的端口当作存储器单元 一样进行访问，不设置专门的I/O指令。
2：特点 （1） 主存单元与I/O端口一起编址。 （2） 跟据地址区分访问是I/O端口还是主存。 （3） 系统中可以不设I/O指令。
（1）品种繁多。 （2）工作速度一般比CPU慢，且速度的分布也相当宽。 （3）信号类型与电平种类多样化。 （4）信息结构形式复杂。
由以上特点，对I / O 部分设计必须考虑两个问题： A 外设如何与CPU连接----必须通过I/O接口. B CPU如何寻址相应的I / O 设备----通过寻址 与设备对应的I/O端口.
微机接口技术
I/O基础知识 郭东明
gdm2002@
本章内容
❖ 1.1 微机接口与接口技术 ❖ 1.2 接口的功能 ❖ 1.3 接口的组成 ❖ 1.4 接口电路的结构形式 ❖ 1.5 CPU与接口交换数据的方式 ❖ 1.6 分析与设计接口电路的基本方法 ❖ 1.7 接口技术的发展趋势 ❖ 本章要点
主要内容41基本概念411IO接口的功能412基本组成
1第四部分输入/输出系统的选择、应用2主要内容：输入/输出接口电路的基本概念 输入/输出端口的编址方式和特点CPU 与外设之间传输数据的几种控制方式的优缺点、适用场合。
各类芯片的特点、功能34.1 基本概念4.1.1 I/O 接口的功能4.1.2 基本组成454.1.1 I/O 接口的功能什么是I/O接口？把外设连接到总线上的一组逻辑电路的总称。
实现外设与主机之间的信息交换。
计算机与外部设备通信时存在的问题速度不匹配信号电平不匹配 信号格式不匹配时序不匹配I/O 接口的功能设置缓冲信号电平转换 格式转换 时序控制地址译码I/O 接口作用：提供数据缓冲，完成信息格式的相容性变换，管理数据的传送，地址译码，设备选择64.1.2 基本组成接口电路的基本结构数据线控制线状态线DBCBAB数据输入寄存器（or 三态门）数据输出寄存器（锁存器）状态寄存器（or 三态门）命令寄存器译码电路控制逻辑接外设接主机74.1.2 基本组成1.数据输入/输出寄存器——暂存输入/输出的数据输入：数据总线连接所有外设，只有此设备此刻需要时才打开，平时关闭——三态门输出：输出数据的脉冲很短，外设来不及读（没准备好），放在锁存器中，让外设准备好，瞬间输出。
——锁存器2.命令寄存器——存放控制命令，用来设定接口功能、工作参数和工作方式。
3.状态寄存器——保存外设当前状态，以供CPU 读取。
84.2 CPU 与I/O 的数据信号4.2.1 数据信息 4.2.2 状态信息4.2.3 控制信息C P UABDB IO/M WR RD接口数据状态控制外部设备94.2.1 数据信息1.数字量:二进制形式的数据键盘→主机，主机→打印机，主机→CRT2.模拟量：电压或电流A/D 模拟→数字: 0~5 V →00~FFD/A 数字→模拟：00~FF →0~5 V3.开关量：“开”、“闭”0 →关（电机）1 →开（电机）4.脉冲量：计数脉冲、定时脉冲或控制脉冲104.2.2 状态信息1.Ready 准备，输入数据Ready=1 输入数据，准备就绪Ready=0 输入数据，没准备就绪2.Busy 输出设备，忙Busy=1 忙，没空接收数据Busy=0 不忙，有空接收数据114.2.3 控制信息OUT 、IN微机外设外设微机OUT IN 输出输入124.3 I/O 端口的寻址方法寻址方法的选择：一般根据所使用的芯片确定。
IO接口技术
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
8255A
40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21
PA4 PA5 PA6 PA7 WR D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 VCC PB7 PB6 PB5 PB4 PB3
•统一编址：I/O地址占用存储器的地址空间，访问M的指令 都能访问I/O,不需专用的I/O操作指令。
00000H
I/O片选
0FFFFH 10000H
FFFFFH
存储器 片选
5
•独立编址：I/O地址独立，不占用M的地址空间，需要专用 的I/O指令来访问I/O端口。
r—
0000H
FFFFH
1
A15-A0
方式1需要联络信号，适用于中断和査询方式的数据传送。
（1）方式1输入：A 口
•STB:选通信号，表示外设送数据到A 口的输入锁存器。
•IBF:输入缓冲器满信号，输入锁存器已收到外设送来的数据。
•INTR:中断请求信号，有效时向CPU请求中断方式输入数据。
•INTEA： A口中断允许触发器，初始化时由PC4置位设定开放。
16
例：设8255A的1/0地址为80H, 81H, 82H, 83H，则无 条件
传送如下：
输出时： MOV AL, 方式命令字 OUT 83H, AL MOV AL,输出数据 OUT 80H，AL
输入时： MOV AL, 方式命令字 OUT 83H, AL IN AL, 80H
17
2.方式1 选通输入或输出（A口、B口）
第八章 基本的IO接口
退出
第一节
接口技术（4学时）
接口设计涉及到两个基本问题： 一是CPU如何寻址I/O设备，实现多个I/O设备的识别； 二是CPU如何与I/O设备连接，进行数据、状态和控制 信号的交换。
退出
8.1.1 接口技术的基本概念
退出
8.1.1
2. 外部特性 接口引脚根据其连接的对象又分为面向CPU一侧的信 号和面向外设一侧的信号。对于面向CPU一侧的信号，一 般都引出了数据线、地址线和控制线。 因为I/O接口是连接CPU系统和外设的桥梁，所以对 其外部特性的掌握是实现I/O接口物理连接的基础，是接 口是技术的一个重点。 3. 接口的可编程性 1）“可编程”的：是指接口芯片的功能和工作方式可通过 程序 设定。 2）初始化程序：对接口芯片功能和工作方式等的定义，是 通过向一些寄存器写入相应的信息来完成的，这样的写入 程序一般称为接口芯片的初始化程序。 3）对可编程寄存器的掌握是学习接口技术的另一个重点。
退出
8.2.2
5. 中断请求寄存器IRR 用以分别保存8个中断请求信号，当相应的中断请求 输入引脚有中断请求时，该寄存器的相应位置1。 6. 中断屏蔽寄存器IMR 对应位用以对8个中断源的中断请求信号进行屏蔽控 制。 7. 中断服务寄存器ISR 当CPU正在处理某个中断源的中断请求时，ISR寄存 器中的相应位置1。 8. 优先级比较器 用以比较正在处理的中断和正在请求的中断源的优先 级别，以决定是否产生中断嵌套。
退出
8.1.1
8.1.2 输入/输出传送方式
一、程序方式 指用输入、输出指令，来控制信息传送的方式。 1. 无条件输入/输出 CPU与外设交换信息时，如果输入/输出的时刻，都可以保证外 设总是处于“准备好”状态，则可以直接利用输入/输出指令进行信息 的输入/输出操作。其硬件实现原理图如8.2所示。 假设，地址译码器的译码为380H，我们可用指令： MOV DX,380H IN AL,DX 把外设的数据输入到AL寄存器。 同样，我们可用指令： MOV DX,380H OUT DX,AL 把AL的值输出外设。
(微机原理与接口技术)chapter11基本IO接口
15
基本输出接口
当输出指令执行时,来自AL,AX或EAX的数据通过数 据总线传送给锁存器
每次OUT指令执行时,锁存器的/SEL信号被激活,捕获 从任意8位数据总线上输出给锁存器的数据
而在最新的微处理器中,使用M/IO=0与W/R激活I/O设 备
27Βιβλιοθήκη 译码8位 I/O地址固定I/O指令使用出现在A15-A0上的8位I/O端口地址, 地址为0000H-00FFH
如果一个系统包含肯定不超过256个的I/O设备,则常常 只译码地址引脚A7-A0作为8位端口地址,因此可以忽 略地址引脚A15-A8
O1 O2 O3 O4 O5 O6 O7 O8
o o o o o o o o
19 18 17 16 15 14 13 12
/FOH /F1H /F2H /F3H /F4H /F5H /F6H /F7H
16L8
PAL16L8 译码器，为端口 F0H-F7H 产生低有效输出
30
AUTHOR COMPANY DATE CHIP
Barry B. Brey BreyCo 7/1/99 DECODER8 PAL16L8
Pins 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 NC GND
Pins 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
NC F7 F6 F5 F4 F3 F2 F1 F0 VCC
据
18
数据通过一组数据线(D7-D0)传送 BUSY 指示打印机“忙”状态 /STB 是一个时钟脉冲,用于给打印机发送数据,进行打
通用IO接口基本概念及连接方法
通用IO接口基本概念及连接方法第1节通用I/O接口基本概念及连接方法1．I/O接口的概念I/O接口，即输入输出接口，是微控制器同外界进行交互的重要通道。
这里的接口英文是port，也可以翻译为“端口”，另一个英文单词是interface，也翻译为接口。
从中文字面看，接口与端口似乎有点区别，但在嵌入式系统中它们的含义是相同的。
有时I/O引脚称为接口（interface），而把用于对I/O引脚进行编程的寄存器称为端口（port），实际上它们是紧密相连的。
因此，不必深究它们之间的区别。
有些书中甚至直接称I/O接口（端口）为I/O口。
在嵌入式系统中，接口千变万化，种类繁多，有显而易见的人机交互接口，如操纵杆、键盘、显示器；也有无人介入的接口，如网络接口、机器设备接口。
2．通用I/O第一章中已经介绍了什么是通用I/O，这里再回顾一下。
所谓通用I/O，也记为GPIO(General Purpose I/O)，即基本的输入/输出，有时也称并行I/O，或普通I/O。
它是I/O的最基本形式。
本书中使用正逻辑，电源(Vcc)代表高电平，对应数字信号“1”；地(GND)代表低电平，对应数字信号“0”。
作为通用输入引脚，MCU内部程序可以通过端口寄存器读取该引脚，知道该引脚是“1”(高电平)或“0”(低电平)，即开关量输入。
作为通用输出引脚，MCU内部程序通过端口寄存器向该引脚输出“1”(高电平)或“0”(低电平)，即开关量输出。
大多数通用I/O引脚可以通过编程来设定工作方式为输入或输出，称之为双向通用I/O。
3．上拉下拉电阻与输入引脚的基本接法芯片输入引脚的外部有三种不同的连接方式：带上拉电阻的连接、带下拉电阻的连接和“悬空”连接。
通俗地说，若MCU的某个管脚通过一个电阻接到电源(Vcc)上，这个电阻被称为“上拉电阻”。
与之相对应，若MCU的某个管脚通过一个电阻接到地(GND)上，则相应的电阻被称为“下拉电阻”。
通过这种做法，将不确定的信号通过一个电阻嵌位在高电平或低电平，电阻同时起限流作用。
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NEXT: MOV DX，02FAH WAT：IN AL，DX
AND AL,80H JNZ WAT MOV DX，02F8H MOV AL， OUT DX，AL MOV DX，02F9H MOV AL，00H OUT DX，AL
第6章 输入输出技术
;状态查询环
；数据输出 S T B
第6章 输入输出技术
外 设 1就 绪 否 ？
N
Y 对 外 设1的 I/O 服 务
外 设 2就 绪 否 ？
N
Y 对 外 设2的 I/O 服 务
Y
外 设 1就 绪 否 ？
对 外 设1的 I/O 服 务
第6章 输入输出技术
D0
A0
&
A1
A2
A3 1
A4
系 A5
统 A6
总 A7
线
信 A8
&
号 A9
A 10
A 11
A 12
A 13
A 14
A 15
IO R
三态门
＋ 5V 10 kΩ
K
≥1
图6.2 开关K与微机系统连接的接口电路
第6章 输入输出技术
如果希望完成如下任务：当开关接通时，CPU执 行程序段ON；当开关断开时，CPU执行程序段OFF。 下述指令的执行可以完成该任务：
MOV DX, 0FFF7H IN AL,DX AND AL,01H JZON ；假定程序段ON与本程序段在同一内存 段中
JMP OFF
第6章 输入输出技术
D0
…
～
系
统 总 线
D7 A 0 I/O 地 址
～
A 15
译
码
器 IO R
三态门 Y0 A 0
Y7 E A 7
～ ～ … ～
外设 D0
D7
图6.3 三态门作为数据输入接口的一般连接模式
第6章 输入输出技术
锁存 器
D0
…
～
系
统 D7
总 线
A 0 I/O 地 址
～
A 15
译
码
器 IOW
D0 Q0 D7 CP Q7
～ ～ … ～
外设 D0
D7
图6.5 锁存器作为数据输出接口的一般连接模式
第6章 输入输出技术
6.2.2 查询方式 1. 查询方式的实现 当外设已处于准备好数据的状： ① 在中断处理程序中要有开中断指令。 ② 要设置足够大的堆栈。 ③ 要正确地操作堆栈。
第6章 输入输出技术
3. 输入输出方法 外设与计算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。
第6章 输入输出技术
6.2 程序控制I/O方式
6.2.1 无条件传送方式 所谓无条件传送方式是指可以在需要的时刻让
第6章 输入输出技术
2. 输出接口设计 作为无条件传送方式实现数据输出的例子，下面 给出CPU对发光二极管的控制。图6.4为发光二极管与 微机系统连接的接口电路。锁存器作为发光二极管与 微机系统数据总线连接的中间接口，接收来自CPU的 输出数据。当锁存器的CP端出现上升沿信号时，数据 总线上的数据被锁存于锁存器内部并输出。
74LS 273
D0 Q0 D1
02F 8 H
D7 Q7 CP
74LS 273
D0 Q0 ≥1
02F 9 H CP
≥1 74LS 244
Y0 A 0 02FA H
E
≥1
74LS 138
E1
Y0
E2
Y1
E Y2
C B A
输 出设 备 D0 D7 STB
BUSY
BUSY
STB 100μ s
D 0 ～ D7
开始 取 外设 状态
第6章 输入输出技术
N
外设
准 备就 绪?
Y 传 送数 据
传 送完 否？
N
Y 结束
图6.6 典型的查询方式工程流程
第6章 输入输出技术
～ ～
～ … ～
D0 D1
D7
IO W
IO R
A 15
≥1
A 14
A 13
A 12
A 11
A 10
A8
A9
&
A7
A6
A5
A4
A3
A2 A1 A0
精品
基本IO接口简介
第6章 输入输出技术
6.1 外设接口的基本模型
1. 应答联络 大多数外设与计算机进行信息交换时都需要事先 进行联络，只有双方建立好联络关系(即握手成功)之后， 双方才能进行信息交换。例如，欲将计算机内部的数 据输出给外设，常规的工作过程为：首先由CPU读外 设与系统连接的状态端口，获得外设的工作状态， CPU根外设状态决定输出数据的时刻。
CPU直接与外设进行输入输出操作，也即CPU仅需要 通过I/O指令即可由接口获取外设数据或为外设提供数 据。这种方式的实现很简单，硬件上只需要提供CPU 与外设连接的数据端口，而软件上则只提供相应的输 入或输出指令即可。
第6章 输入输出技术
1.输入接口设计 对于简单的输入设备，在硬件上只需要设计一个 数据输入接口即可以将该外设与CPU连接起来。实现 数据输入接口的器件可选用三态门，如74LS244。
反相器对锁存器起保护作用，当发光二极管发亮 时，反相器提供足够大的吸入电流，以保护锁存器不 受损坏。对于图中电路，CPU执行下述指令可以使两 个发光二极管发亮：
MOV DX，0000H MOV AL，81H OUT DX，AL 而CPU执行下述指令可以使两个发光二极管不发亮： MOV DX，0000H MOV AL，00H OUT DX，AL
第6章 输入输出技术
接口
数 据线
微
数据
机
系 统
状态
外 设
总 线
命令
控 制线
图6.1 外设接口基本模型
第6章 输入输出技术
2. 端口地址 当计算机系统中有多个外设时，CPU在某个时刻 只能与一个外设打交道。为了确定此刻哪一个外设可 以与计算机打交道，采取与内存同样的处理方法，利 用二进制编码为外设编号，该编号被称为外设地址(又 称I/O地址)，也即通过外设地址来识别不同的外设。
有效
有效
(b )
(a )
图6.7 查询方式实现I/O传送示例
(a)外设与微机接口电路； (b)外设工作时序
第6章 输入输出技术
DAOUT: MOV AX, 0D200H MOV DS,AX MOV BX，0 ；初始化内存首地址 MOV CX，1000 ；初始化计数器 MOV DX，02F9H MOV AL，01H
第6章 输入输出技术
＋ 5V 300Ω
～ ～ …
D0
D7
A0
≥1
系 统 总
A1
A2 A3
线 A4
信 A5
号 A6
A7
IO W
A8
≥1
A9
A 10
A 11
A 12
A ห้องสมุดไป่ตู้3
A 14
A 15
D0 Q
1
D7 Q1
＋ 5V
≥1
300Ω
Q7
1
CP
74L S273
图6.4 发光二极管与微机系统连接的接口电路
第6章 输入输出技术