微机原理基本输入输出接口
微机原理及接口技术实验
微机原理及接口技术实验一、实验目的本实验旨在通过学习微机原理和接口技术，了解和掌握微机系统的基本原理和接口技术的应用，培养学生对微机系统的认识和实践操作能力。
二、实验内容1. 微型计算机系统设计与搭建2. 微机输入输出接口技术应用实验3. 微机总线技术应用实验4. 微机存储器技术应用实验5. 微型计算机中断和DMA技术应用实验三、实验原理1. 微型计算机系统设计与搭建微型计算机主要由中央处理器、存储器、输入输出设备和总线组成。
本实验通过选择适当的芯片、电路连接和控制程序设计，实现一个基本的微型计算机系统。
2. 微机输入输出接口技术应用实验输入输出是微型计算机的重要组成部分，通过实验学习各种输入输出接口的原理和使用方法，并进行实际应用。
3. 微机总线技术应用实验总线是微型计算机各个部件之间传送数据和控制信息的公共通信路径。
通过实验学习总线的分类、结构和时序要求，掌握总线的实际应用。
4. 微机存储器技术应用实验存储器是微型计算机中存储数据和程序的重要设备。
通过实验学习不同类型存储器的原理和应用，掌握存储器的选择和使用。
5. 微型计算机中断和DMA技术应用实验中断和直接存储器访问（DMA）是微型计算机连接外部设备的重要技术。
通过实验学习中断和DMA的工作原理，掌握中断和DMA的应用方法。
四、实验步骤1. 根据实验要求，设计并搭建微型计算机系统；2. 连接输入输出设备，并编写控制程序；3. 进行输入输出接口技术应用实验，如串行通信、并行通信等；4. 进行总线技术应用实验，如总线传输数据测试等；5. 进行存储器技术应用实验，如读写存储器数据等；6. 进行中断和DMA技术应用实验，如中断服务程序编写等；7. 完成相关实验报告并进行总结。
五、实验设备和材料1. 微型计算机实验箱、电源适配器；2. 8051单片机、存储器芯片、输入输出芯片，如74HC164等；3. LED数码管、LCD液晶显示器、键盘、计算器等输入输出设备；4. 可编程芯片编程器、逻辑分析仪等实验设备。
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。
微机原理与接口技术课件全 (9)
（2）键的识别 通常有两种方法可识别被按之键：一种是“行扫描”法； 一种是“反转”法。 1）行扫描法 依次对每一行进行扫描，选使被扫描的行为低电平，其它 所有的行均为高电平，接着检测各列线的状态（称为“列”）。 若各列码均为高电平（即列码为全1），则被按之键不在这行。 继续扫描下一行；若列线不全为高电平（即列码为非全1），则 被按之在此行。根据行扫描码及列码就可知被按之键的坐标值 （即位置码）。再根据位置码通过查表可得到它的键值。查表 法的扫描子程序流程图如图7-6所示。
四、输入/输出寻址方式
当主机执行I/O操作时，应先对I/O接口中的端口进行寻址， 其寻址方式有如下两种： 此时，I/O端口单独编址。CPU指令系统中有专门用于I/O操 作的指令——I/O指令，CPU访问I/O端口时发出I/O读命令或写 命令，访问内存时发存储器读或写命令。因此，端口地址与存 储单元地址可重叠。此时，I/O端口不占用存储空间且与访问 I/O设备指令有别。 这种寻址方式中，将I/O端口与存储单元统一编址，即CPU 把I/O端口作为存储单元对待，I/O端口占用一定的存储空间。 采用这种寻址方式的CPU指令系统中没有专门的I/O指令，
微型机中常外设有LED显示器、CRT显示器、键盘、打印机、软 磁盘存储器等。单片机应用系统中常设置LED显示器、拔盘、键 盘、点阵式打印机等外设。
§8-2 键盘及其接口
返回
在微型机系统中，键盘是最常用的输入设备，键盘通常由 数字键和功能键组成，其规模取决于系统的要求。
键盘可分为编码键盘和非编码键盘两种，前者有检测键闭 合，去抖动及产生相应键编码的硬件电路，而后者则没有这些 硬件，上述功能在有少量的硬件支持下由软件来完成。由此可 见编码键盘产生键编码的速度快且基本上不占用CPU时间，但硬 件开销大，电路复杂，成本高；非编码键盘则硬件开销省，电 路简单，成本低，但占用CPU时间较长。
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
微机原理与接口技术输入输出实验
实验一：输入输出实验实验环境PC机＋Win 2010＋emu8086 实验日期2016.6.3 一．实验内容1.熟悉emu8086仿真系统，清楚调试环境，能熟练的查看8086仿真系统的寄存器、内存、堆栈等相关内容。
2.设计并单步调试实现一位十进制数的加法运算。
例如：屏幕显示效果为3+2=5,其中，加数和被加数为键盘输入，其他为屏幕自动输出。
3.在实现了一位十进制数加法运算的基础上，尝试实现两位十进制加法运算、一位十进制数的四则运算以及十进制多位数运算等扩展要求。
二．理论分析或算法分析1、Emu8086的使用（1）打开桌面上的云端软件，选择微机原理分类，点击Emu8086的图标，，选择【新建】。
（2）选择COM模板，点击【确定】，软件出现源代码编辑器的界面在源代码编辑器的空白区域，编写如下一段小程序：代码编写结束，点击菜单【文件】【另存为……】，将源代码换名保存。
本例将源代码保存为.asm。
：（3）如果源程序无错误，则编译通过单击【单步运行】可以单步调试，程序将每执行一条指令便产生一次中断（建议使用）。
单击【后退一步】可以返回到上一条指令（这个功能也是一般调试器没有的）。
单击【运行】，程序将从第一句直接运行到最后一句。
2、设计并单步调试实现一位十进制数的加法运算。
（1）选择新建一个.COM类型的文件。
（2）在编辑界面中，键入代码。
（3）点击工具栏的【模拟】按钮，进入调试窗口，单步调试并观察寄存器的变化情况。
3、进一步完善上述程序，实现一位十进制数的加法运算。
4、在实现了一位十进制数加法运算的基础上，选择完成如下题目：两位十进制加法运算、一位十进制数的四则运算、十进制多位数运算等。
三．实现方法（含实现思路、程序流程图、实验电路图和源程序列表等）一位加法：org 100hmov ah, 1int 21hmov bl, al mov ah, 2 mov dl, '+' int 21hmov ah, 1int 21hand bl, 0fh and ax, 0fh add al, bl aaaor ax, 3030h mov bx, ax mov ah, 2 mov dl, '=' int 21h cmp bh, 30hje j1mov ah, 2 mov dl, bhint 21hj1:mov ah, 2 mov dl, blint 21hret 多位加法：org 100hmov ah, 1int 21hmov bh, al int 21hmov bl, al mov ah, 2mov dl, '+'int 21hmov ah, 1int 21hmov ch, al int 21hmov cl, aland bx, 0f0fh and cx, 0f0fh mov ax, cxadd ax, bxaaaor ax, 3030h mov bx, ax mov ah, 2mov dl, '='int 21h cmp bh, 30hje j1mov ah, 2mov dl, bhint 21hj1:mov ah, 2mov dl, blint 21hret一位减、乘、除：mov ah, 1int 21hand al, 0fhmov bl, al mov ah, 1int 21hmov dl, alint 21hand al, 0fhxor ah, ahcmp dl, '+'jne jp1add al, blaaajmp short jp4jp1:cmp dl, '-'jne jp2xchg al, blsub al, blaasjmp short jp4jp2:cmp dl, '*'jne jp3mul blaamjmp short jp4jp3:xchg al, bldiv blaam jp4:mov bx, axmov ah, 2mov dl, '='int 21hor bx, 3030h cmp bh, '1'jc j1mov dl, bhint 21hj1:mov dl, blint 21h四．实验结果分析（含执行结果验证、输出显示信息、图形、调试过程中所遇的问题及处理方法等）一位数加法：多位数加法：一位数减、乘、除法五．结论通过这次实验，我对EMU8086实验模拟环境有相应的了解，熟悉了基本的EMU8086的使用方法，同时也对mov这个指令有了深入的理解，并且知道了各个存储器里面的值得存储过程，为以后的的学习打下了坚实的基础。
第六章_基本输入输出接口技术
20
6.3 CPU与外设之间的数据传送方式
[例] 设状态端口地址为086H，数据端口地址为084H，外 设忙碌D7=1，请用查询方式写出CPU从存储器缓冲区 Buffer送出1KB的数据给外设的程序段。 LEA SI , Buffer ；取Buffer的有效地址送SI MOV CX , 1000 ；循环次数 W1: MOV DX, 086H ；状态端口地址送DX W2: IN AL , DX ；从状态端口读入状态信息 AND AL，80H ； BUSY=0? JNZ W2 ； BUSY=1，返回继续查询 MOV AL,[SI] ； BUSY=0，取数据 MOV DX, 084H ；数据端口地址送DX OUT DX,AL ；数据输出到数据端口 INC SI ；SI指向下一个字节数据 LOOP W1 ；CX-1送CX≠0，循环 HLT ；CX=0，传送结束
FFFFF
内存 空间 I/O 空间
10
§6-2 I/O端口的编址与访问
二、 I/O端口地址的译码方法：
I/O端口地址译码的一般原则是：把CPU用于I/O端口寻址 的地址线分为高位地址线和低位地址线两部分：
将低位地址线直接连到I/O接口芯片的相应地址引脚， 实现片内寻址，即选中片内的端口。 将高位地址线与CPU的控制信号组合，经地址译码电 路产生I/O接口芯片的片选信号。 常见的译码器： 2/4线译码器74LS139 3/8线译码器74LS138
返回断点
6.3 CPU与外设之间的数据传送方式
关于中断的几点说明：
采用中断的数据传送方式时，外设处于主动申请地 位，CPU配合进行数据传送；CPU不必反复去查询 外设的状态，而是可以与外设“并行工作”，因此 提高了CPU的工作效率，并且更具有实时性。
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微机原理基本输入输出接口
9
3. 接口电路芯片的分类
接口电路核心部分往往是一块或数块大规 模集成电路芯片（接口芯片）：
通用接口芯片
支持通用的数据输入输出和控制的接口芯片
面向外设的专用接口芯片
针对某种外设设计、与该种外设接口
面向微机系统的专用接口芯片
与CPU和系统配套使用，以增强其总体功能
的接口电路，编制配套的接口程序，支 持和连接有关的设备。
微机原理基本输入输出接口
4
常见接口插槽
串行口 PS2鼠标 10/100M网卡
并行口
MIDI/游戏接口
PS2键盘 千兆网
音箱/线入接 口/麦克风
USB
1394a 显示器接口
1394 微机原理基本输入输出接口
5
5.1.2 I/O接口 - I/O接口的主要功能
K8
地址 284H
译码
IN指令时序
0 与0 0
T1 T2 T3 Tw T4
非 CLK
执行:
MOV DX, 284H IN AL, DX
A15~A0 0000 0010 D0
P290图5.11 K2,K5,K8
IOR
闭合时DB=?, (AL)=?
01101101B=6DH
1. 接口电路的内部结构
2. 接口电路的外部特性
3. 接口电路芯片的分类
4. 接口电路的可编程性
微机原理基本输入输出接口
7
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
微机原理基本输入输出接口
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4. 接口电路的可编程性
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；
接口软件有两类：
初始化程序段——设定芯片工作方式等； 数据交换程序段——管理、控制、驱动外设，
负责外设和系统间信息交换。
微机原理基本输入输出接口
内存 空间
控制和地址译码电路相对简单 FFFF I/O
专门的I/O指令使程序清晰易读 0 空间
缺点：
I/O指令没有存储器指令丰富
80x86采用I/O端口独立编址
微机原理基本输入输出接口
13
I/O端口与存储器统一编址
优点：
FFFFF
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
第5章-1 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
DMA传送
微机原理基本输入输出接口
1
5.1 I/O接口概述
为什么需要I/O接口（电路）？ 多种外设 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。
⑴ 对输入输出数据进行缓冲和锁存；
输出接口有锁存、缓冲环节； 输入接口有锁存、缓冲环节；
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；
⑶ 对I/O端口进行寻址； ⑷ 与CPU和I/O设备进行联络。
微机原理基本输入输出接口
6
5.1.2 I/O接口 - I/O接口的典型结构
微机原理基本输入输出接口
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例:一个输入设备的简单接口电路
D7
数据线
~
I O
D0 A15 地址线
总 线
~ A0
地址 284H
译码 0
IOR
0
三态 缓冲器
与0 非
输入 设备
MOV DX, 284H IN AL, DX
输入设备接口电路，即硬件上保证: 只在CPU执行从284H端口输入数据时，三态门处于工作状态，使输 入设备的数据送上总线侧，而CPU执行其它指令时，三态门均处于高 阻状态，使输入设备的数据线与总线侧断开。
微机原理基本输入输出接口
2
5.1 I/O接口概述（续1）
什么是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 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
微机原理基本输入输出接口
3
5.1 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； 注意其软硬结合的特点； 根据应用系统的需要，使用和构造相应
思考：其他的指令为什么不可以？
例：IN AL, 50H; MOV AL, [0284H] 微机原理基本输入输出接口
;字节输入 ;字输入
;字节输出 ;字输出
功能演示 功能演示
微机原理基本输入输出接口
15
例:一个输入设备的简单接口电路
IO总线
D7
DB
~
D0
三态 缓冲器
开关 状态
A15 AB ~ A0
IOR
地址 284H
译码 0 与0 0 非 图中译码电路的作用：
该电路在CPU执行指令
只当A15~A0上出现284H时，
11
5.1.3 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
I/O地址空间独立于存储地址空间； 如8086/8088；
I/O端口与存储器统一编址
它们共享一个地址空间； 如M68000。
微机原理基本输入输出接口
12
I/O端口单独编址
FFFFF
优点：
I/O端口的地址空间独立
理解端口
⑶ 控制寄存器
保存CPU给外设或接口电路的命令
微机原理基本输入输出接口
8
2. 接口电路的外部特性
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
内存 部分
缺点：
存储器空间
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）
00000
I/O 部分
微机原理基本输入输出接口
14
8088/8086的输入输出指令
输入指令
IN AL, i8/DX IN AX, i8/DX
输出指令
OUT i8/DX, AL OUT i8/DX, AX
MOV DX, 284H IN AL, DX 将输入设备的数据读入
（即0000 0010 1000 0100B） 输出0，其他输出1。
CPU内AL中
微机原理基本输入输出接口
16
例:一个输入设备的简单接口电路
D7
数据线 D0
三态
开关 K1
~
I O
D0 A15 地址线
总 线
~ A0
IOR
D7 缓冲器
输入 :