第七章输入输出端口
07 输入输出技术-微机原理与接口技术(第3版)-牟琦-清华大学出版社
清华大学出版社
7.1 输入/输出系统概述
② 状态端口 存放外围设备或者接口部件本身的状态。外设通过状态寄存器存放
向CPU提供的可查询的外设状态信息，CPU可通过数据线读回，并根据 外设的状态信息采取相应措施。 ③ 控制端口
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7.1 输入/输出系统概述
⑸ 中断管理/DMA控制功能 有些接口，为了能够实现以中断方式与CPU交换信息，或以DMA方
式与存储器交换信息，往往在接口电路中设置中断控制逻辑或DMA控制 逻辑，以便能够向主机提出中断请求或DMA请求，反过来，对主机给予 的请求应答能得到立即响应，即提供相应的处理。
微机原理与接口技术（第3版）
牟 琦 主编 清华大学出版社
微机原理与接口技术（第3版）
7 输入输出技术
输入/输出系统概述 程序控制方式 中断方式 直接存储器存取 例题解析
清华大学出版社
7.1 输入/输出系统概述 7.1.1 输入/输出接口
1. 接口电路 主机对性能各异的外设进行控制，与它们交换信息，在主机与外设
地址线
主
I/O
机
控制线
接
数据线
口
……
设
外
备
围
控
设
制
备
器
图7.1 外围设备的连接
清华大学出版社
7.1 输入/输出系统概述
2. 接口电路分类 ⑴ 按接口电路的通用性：可以分为专用接口和通用接口。 专用接口：是指针对某一种具体的外围设备而设计的接口电路。 通用接口：是可供多种外围设备使用的标准接口。 ⑵ 按数据传送格式：可以分为并行接口和串行接口。 并行接口：是指接口与系统总线之间，接口与外围设备之间，都按
输入输出接口
可以在一些专业级视频工作站/编辑卡专业级视频设备或高档影碟机等家电上看到有YUV YCbCr Y/B-Y/B-Y 等标记的接口标识，虽然其标记方法和接头外形各异但都是指的同一种接口色差端口(也称分量视频接口)。它通 常采用YPbPr和YCbCr两种标识，前者表示逐行扫描色差输出，后者表示隔行扫描色差输出。由上述关系可知，我 们只需知道Y Cr Cb的值就能够得到G的值(即第四个等式不是必要的)，所以在视频输出和颜色处理过程中就统一 忽略绿色差Cg而只保留Y Cr Cb，这便是色差输出的基本定义。作为S-Video的进阶产品色差输出将S-Video传输 的色度信号C分解为色差Cr和Cb，这样就避免了两路色差混合解码并再次分离的过程，也保持了色度通道的最大 带宽，只需要经过反矩阵解码电路就可以还原为RGB三原色信号而成像，这就最大限度地缩短了视频源到显示器 成像之间的视频信号通道，避免了因繁琐的传输过程所带来的图像失真，所以色差输出的接口方式是各种视频输 出接口中最好的一种。
S-Video(S端子，Separate Video)，S端子也叫二分量视频接口，一般采用五线接头，它是用来将亮度和色 度分离输出的设备，主要功能是为了克服视频节目复合输出时的亮度跟色度的互相干扰。S端子的亮度和色度分离 输出可以提高画面质量，可以将电脑屏幕上显示的内容非常清晰地输出到投影仪之类的显示设备上。
DVI数字端子比标准VGA端子信号要好，数字接口保证了全部内容采用数字格式传输，保证了主机到监视器的 传输过程中数据的完整性（无干扰信号引入），可以得到更清晰的图像。
（RCA）接口
也称AV接口，通常都是成对的白色的音频接口和黄色的视频接口，它通常采用RCA(俗称莲花头)进行连接， 使用时只需要将带莲花头的标准AV线缆与相应接口连接起来即可。AV接口实现了音频和视频的分离传输，这就避 免了因为音/视频混合干扰而导致的图像质量下降，但由于AV接口传输的仍然是一种亮度/色度(Y/C)混合的视频 信号，仍然需要显示设备对其进行亮/色分离和色度解码才能成像，这种先混合再分离的过程必然会造成色彩信号 的损失，色度信号和亮度信号也会有很大的机会相互干扰从而影响最终输出的图像质量。AV还具有一定生命力， 但由于它本身Y/C混合这一不可克服的缺点因此无法在一些追求视觉极限的场合中使用。
微机原理、汇编语言与接口技术 第七章 习题答案 人民邮电出版社(周杰英 张萍 郭雪梅 著)
第7章输入/输出接口习题与参考答案这一章的习题与参考答案分为两大部分，一部分是输入输出概述及DMA控制器的习题与参考答案；另一部分是中断及中断控制器部分的习题与参考答案。
一、输入输出概述及DMA控制器的习题与参考答案1、请说明为什么输入接口的数据缓冲寄存器必须有三态输出功能而输出接口却不需要的原因。
解：输入接口的数据缓冲寄存器的输出端是直接接在数据总线上的，如果数据寄存器没有三态输出功能，则无论数据寄存器被寻址选中或未被选中，其数据都会被送上数据总线，若此时总线上真正要传送的数据与该输入缓存器的内容不一致时，就会发生总线冲突。
所以，输入接口的数据缓冲器必须有三态输出功能，以便当接口未被寻址选中时，其输出端处于高阻态，从而与总线隔离。
对于输出接口来说，是输入端与数据总线相连，而输出端是与外设相连，因此其输出不影响总线状态；另外，一个外设一般只与一个输出数据缓存器相连，因此输出接口的数据缓存器无须有三态输出功能。
2、8086/8088CPU中哪些寄存器可以用于I/O寻址？若I/O端口地址分别是10H和100H，分别写出向这两个端口写入73H的程序段。
解：8086/8088CPU内可以用于I/O寻址的寄存器为AL、AX和DX。
向端口10H写入73H的程序段为： MOV AL，73HOUT 10H，AL向端口10H写入73H的程序段为： MOV AL，73HMOV DX，100HOUT DX，AL3、图为7段显示器接口，显示器采用共阳极接法，试编写程序段，使AL中的一位十六进制数显示于显示器上。
输出锁存器地址为40H。
解：TABLE DB 3FH，06H，5BH，4FHDB 66H，6DH，7DH，07HDB 7FH，67H，77H，7CH，DB 39H，5EH，79H，71HLEA BX，TABLEXLATOUT 40H，AL4、PC/XT机有哪些输入输出方式？各自的特点如何？DMA控制器应具备哪些功能？解：无条件方式：需要外设处于就绪状态，硬件简单；查询方式：CPU需要不断地查询外设是否就绪，浪费CPU时间，硬件较简单；中断方式：外设准备好后，向CPU发中断请求，请求CPU完成数据传输，外设与CPU并行；硬件又比前两者复杂。
8071第七章输入输出接口技术第一节内容2009.01.20(第三稿)
2.I/O端口独立编址
优点：
I/O端口的地址空间独立 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 I/O指令没有存储器指令丰富
缺点：
80x86采用I/O端口独立编址
2013年8月1日星期四 中北大学《微机原理及接口技术》 37
Байду номын сангаас
2.I/O端口独立编址
特点：
00000H 内存 地址
12
7.1.3 I/O接口的主要功能
对输入输出数据进行缓冲和锁存 输出接口有锁存环节，输入接口有缓冲环节 实际的电路常用： 输出锁存缓冲环节，输入锁存缓冲环节 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 对I/O端口进行寻址 与CPU和I/O设备进行联络
中北大学《微机原理及接口技术》 24
2013年8月1日星期四
外设接口
输入接口 输出接口 并行接口 串行接口
数字接口
模拟接口
2013年8月1日星期四
中北大学《微机原理及接口技术》
25
输入输出接口的特点
输入接口：
要求对数据具有控制能力（常用三态门实现）
输出接口：
要求对数据具有锁存能力（常用锁存器实现）
中北大学《微机原理及接口技术》
6
7.1.2 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
sta_lda
基本概念
中断源：凡能向CPU提出中断请求的各种因素，同称 为中断源 CPU在任何瞬间只能接受一个中断源的请求 中断请求触发器和中断屏蔽触发器 完成触发器D：当设备欲提出中断请求时，设备本 身准备就绪，也即完成触发器D必须为“1” 中断请求触发器：发出中断请求信号 中断屏蔽触发器：屏蔽优先级较低设备的中断请 求
G1 G2A G2B
设计一个I/O端口译码器，使用一个3-8译码器给出8位 I/O端口地址20H、22H、24H、26H、28H、2AH、
2CH、2EH的译码信号。
A1 A2 A3 A B C Y0 Y1 Y2 Y3 A5 G1 G2A Y4 Y5 Y6 Y7
20H 22H 24H 26H 28H 2AH 2CH 2EH
接口的分类—按传输二进制位数进行分类
并行接口 一次传送一个字节或一个字 例如：打印机 串行接口 一次传送一位二进制代码 主要用于驱动传输距离较远的设备
接口的分类 – 按I/O与主机信息传送的控制方式
程序查询方式 传输方式简单 工作中一直要占用CPU，极大地影响了CPU的工作 效率 中断 消除了程序查询方式中CPU”踏步”的现象，提高 了CPU的工作效率 CPU相应中断后，必须要停止现在运行的程序， 转入中断服务程序 为了完成I/O与主存之间交换信息，还要占用CPU 内部的一些寄存器，也是对CPU资源的浪费
I/O总线
I/O接口
………….
I/O接口
设备
：数据线 ：状态线
设备
：地址线 ：命令线
I/O总线和接口部件
接口的功能和组成
识别设备
第7章 输入输出系统与接口
计算机通过输入设备获取来自外部的信息。 计算机通过输出设备把处理结果显示出来。
第2页
2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口
7.1 接口电路概述 7.1.1 接口基本概念
输入设备：输入信息 输出设备：送出结果 输入设备
各设备的组成 结构、电气性 能和工作原理 各不相同
键盘、鼠标、扫描仪、磁带机、磁盘机、光盘机、 解调器、A/D转换器 输出设备 显示器、打印机、绘图仪、磁带机、磁盘机、光盘 机、调制器、D/A转换器
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第7章
输入输出系统及接口
7.1.3 接口信号
与计算机交换的信息 数据信息、状态信息和控制信息 。 1．数据信息
数字量 、模拟量 、开关量 2．状态信息
外设发送给计算机，反映外设工作状态 有BUSY和READY
3．控制信息 计算机发送给外设，控制外设的工作
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2．输出指令
第7章
输入输出系统及接口
7.3 输入输出的数据传送方式
计算机与I/O接口间的数据传送即数据交换。 数据传送的控制方式 程序直接控制传送方式、中断方式、DMA方式和 I/O处理机方式
7.3.1 程序直接控制传送方式
定义：是指在程序控制下进行的数据传送，通常是 在用户程序中安排一段由I/O指令和其它指令组成的 程序段，直接控制I/O接口的输入/输出操作。
目标寄存器为AX时，读取16位数据 直接寻址 端口地址n只能为8位地址信号，最多可以访问 28=256个不同的端口。对应指令有： IN AL, n ;AL←(n) IN AX, n ;AX←(n)
第23页 2013年8月1日星期四
cha7输入和输出
7.3.2 8255A可编程并行I/O口的扩展
可编程I/O扩展：具有状态寄存和命令寄 存的功能，通过软件编程方式，确定扩 展芯片的工作方式。
典型芯片：8255A，8155。
并行接口芯片8255A
➢ 8255A是Intel公司生产的通用可编程I/O接口电路。 采用＋5V电源供电,具有40条引脚。
两个控制字以D7位状态作为标志： ➢ D7=1，为端口工作方式控制字； ➢ D7=0，为C口置位/复位控制字。
（1）方式控制字，格式如下：
图：8255A的方式控制字
举例
要求：
➢ A端口：方式1输入
➢ C端口上半部：输出，C口下半部：输入
➢ B端口：方式0输出
方式控制字：10110001B或B1H
7.1.2 I/O数据的几种传送方式
为实现和不同的外设的速度匹配，I/O接口必须 根据不同外设选择恰当的I/O数据传送方式。
I/O数据传送的几种传送方式是： 1、程序传送 2、中断传送 3、直接存储器存取（DMA）传送
1、程序传送
CPU与外部设备间的数据传送在程序控制下进行的一 种方式，分为条件传送和无条件传送。
;读入C口信息
JB ACC.7,LOOP2
;BUSY=1?
MOV DPTR,#0FF7CH ;送A口地址
MOV A,@R1
;取数
MOVX @DPTR,A
;数据送A口
INC R1
MOV DPTR,#0FF7Fh ;送控制寄存器地址
MOV A，#00H
;送C口复位控制字
MOVX @DPTR,A
;使PC0=0
（1）无条件传送方式
外部设备总处于“准备好”状态，无需测试，随时 可以传送数据。用于工作速度非常快和非常慢时。
第七章终结篇——8251A的总结
第七章终结篇——8251A的总结总算把这个第七章复习完了，我把剩下⼀点关于8251A的发上来吧本来在讲解8251A书本上还有关于RS232和串⼝通信的讲解，但是太浅了，就不放了，有兴趣的朋友可以⾃⾏参考其他⽂章串⾏通信芯⽚8251A有以下特点1. 可以⽤于同步或者异步传输，同步0-64kbps，异步0-19.2kpbs2. 同步传送的时候，5-8位/字符，可以⽤于内同步或者外同步，可⾃动插⼊同步字符3. 异步传送的时候，5-8位/字符，有1，2，1.5个停⽌位4. 完全双⼯，双缓冲发送和接受数据5. 具有出错检查，奇偶校验、溢出、和帧错误等检测电路好吧，为啥要这个8251A因为计算机内部都是并⾏传输数据的，但是长距离通信都是⽤的串⾏通信的（这些概念不太明⽩的不懂的朋友可以⾃⾏百度⼀下概念或者看看书）必须要个东西来转化⼀下82518251的内部结构内部结构包括接收器，发送器，读/写控制逻辑，数据总线缓冲器和调制解调控制电路五⼤部分接收器包括接收缓冲器，并⾏转换逻辑和接受控制电路三个部分接收缓冲器对外引脚为RxD，功能是从此引脚上接收串⾏数据，然后转换成并⾏数据，是由接受移位寄存器和接收数据缓冲器组成双缓冲结构接受控制电路是配合缓冲器⼯作的，作⽤如下1 .在异步⽅式下，芯⽚复位后，先检测输⼊信号中的有效1，⼀旦检测到到，就接着寻找有效的低电平来确定启动位2 消除假启动⼲扰3 对接收到的信息进⾏奇偶校验，并根据校验结果建⽴相应的状态位4 检测停⽌位，并按检测结构建⽴状态位发送器和接收器差不多，也是有发送缓冲器，发送控制电路和并串转换逻辑3个部分发送缓冲器上⾯接的是TxD脚，发送数据缓冲器和发送移位寄存器组成了发送的双缓冲结构，发送控制电路也是辅助发送缓冲器的，但是和接受的功能不⼀样发送控制电路作⽤如下1. 在异步⽅式下插⼊起始位，校验位和停⽌位2. 在同步⽅式下，插⼊同步字符，在数据中插⼊校验位数据总线缓冲器提供与8251A和CPU系统总线相连，在CPU执⾏输⼊输出操作的时候，进⾏数据交换或者读写命令读/写控制逻辑电路⽤来配合总线缓冲器⼯作1. 写信号WR#，把数据总线的信号（数据/控制字）写⼊8251A2. 读信号RD#，将状态/数据字发送到CPU（发到数据总线）3. 接收控制/数据信号C/D#,与读。
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2021/3/7
◆基本端口内部结构如下图，主要包括： 3个D触发器组成的输入/输出数据锁存 电路和方向选择锁存电路；
◆ 2个三态门控电路；
◆二输入“与”门和“或”门组成数据输出 的前向通道；
◆由P沟道场效应管和N沟道场效应管构 成互补推挽的电流输出级。
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2021/3/7
1、定义输入线 ◆当把某个端线定义为输入状态时，信
号“1”通过单片机的内部数据总线加至 方向锁存器D2的输入端，在写方向控 制信号的触发下写入D2锁存。
◆此时，D2的Q=1，上部的“或”门封闭， 其输出恒定为“1”，这就导致P沟道场 效应管截止；
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2021/3/7
内部数据总线 DQ
VDD
写端口控制 写方向控制
Q 输出锁存D1
0 D Q0 Q1
方向N
VSS
模拟输入选择
读TRIS
QD
EN
读端口
输入锁存D3 1
I/O Pin
到A/D转换器 ＆ 输入缓冲器
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2021/3/7
◆数据输入时应特别注意，外部提供的 数据信号并不会自动锁存，必须保持 足够长的时间，直到指令读入为止。
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2021/3/7
2、定义输出线 ◆当把某个端线定义为输出状态时，信
号“0”通过单片机的内部数据总线加至 方向锁存器D2的输入端，在写方向控 制信号的触发下写入D2锁存。
第七章 输入输出端口
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2021/3/7
◆在PIC16F877单片机中，共有五个I/O 端口：端口A、B、C、D和E。
◆端口的一些引脚通过对相应的专用寄 存器的设置选择用作多功能复用，既 可作为一般通用的I/0引脚，也可作为 某些部件特殊功能的输入/输出引脚。
◆一旦作为特殊功能引脚，这些引脚不 再用作一般的I/O功能。
◆根据“或”门和“与”门的接线方式，不 论另一个输入端的信号如何，此时这2 个门的输出均被封闭，即处于高阻状 态。
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2021/3/7
◆因此，在这种情况下，上下2个场效应 管都处于截止状态， I/O输出数据通道 是关闭的。
◆外部I/O引脚数据，经过输入缓冲器调 整连接到输入数据锁存器D3的输入端， 通过读端口数据触发信号完成数据的 输入。
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2021/3/7
7.1 I/O端口功能的通用结构
◆ PIC16F877 单 片 机 有 5 个 I/O 端 口 ， 它 们的设计思想和内部结构都是不同的， 即使同一个端口各个引脚的内部结构也 存在差异。
◆但就其通用的输入/输出功能，则具有 类似的线路结构。
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2021/3/7
7.1.1 设置端口的输入/输出状态 ◆根据I/O端口引脚的输入/输出状态， 对该端口的数据方向控制寄存器 (TRISX)进行初始化定义。
◆若把TRIS某位设置为“1”，则相应的 PORT端口引脚定义为输入端；
◆若把TRIS某位设置为“0”，则相应的 PORT端口引脚定义为输出端。
Q 输出锁存D1
1 D Q1 Q0
方向锁存D2
1
≥1 1
P
0
＆
N
VSS
模拟输入选择
读TRIS
QD
EN
读端口
输入锁存D3 1
P沟道场效 应管截止
I/O Pin
N沟道场效 应管截止
到A/D转换器
＆ 输入缓冲器
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2021/3/7
◆当I/O端口引脚用于输入数据时，方向 控制寄存器TRISX的对应位必须设置 为“1”。
2021/3/7
输出数据“1” ◆信号“1”通过单片机的内部数据总线加
至输出数据锁存器D1的输入端，在写端 口控制信号CK的触发下写入D1锁存。
◆从D1的反向器输出端Q输出“0”，此时 的“或”门处于直通状态，“或”门的输出 也为“0”，因而P沟道场效应管导通；
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Main
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Main
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2021/3/7
读端口数据触发信号主要有2个作用: ◆锁存输入数据。读端口脉冲信号，经反
向器触发锁存外部I/O引脚的输入数据。 ◆临时占用内部数据总线。作为门控信号
临时打开三态门，以便让输入数据锁存 器的输出连通单片机的内部数据总线。
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◆此时，D2的Q=0，上部的“或”门恒定 开放，“或”门的输出直接由来自数据锁 存器D1的输出决定；
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2021/3/7
◆D2的Q=0时Q=1，下部的“与”门也恒 定开放，“与”门的输出直接由来自数 据锁存器D1的输出决定。
◆数据输出通路被打开，被定义为输出 状态。
◆分别是数据寄存器（PORTX）和方向 寄存器（TRISX） ，
◆也就是说PIC单片机把I/O端口当作寄 存器来访问（即读出或写入）。
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2021/3/7
◆I/O端口的方向寄存器是定义其端口引 脚的输入/输出状态；
◆而I/O端口的数据寄存器是用于其端口 输入/输出数据的桥梁，或称为数据缓 冲器。
Main
Return
2021/3/7
内部数据总线 DQ
VDD
写端口控制
Q
输出锁存D1
≥1
P
写方向控制
DQ
Q 方向锁存D2
1 读TRIS
＆
N
VSS
模拟输入选择
QD
读端口
EN 输入锁存D3 1
I/O Pin
到A/D转换器 ＆ 输入缓冲器
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Main
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2021/3/7
◆在PIC系列单片机中，每个端口都至 少对应着两个特殊功能寄存器，
2021/3/7
◆同样，“与”门的输出为“0”，导致N沟 道场效应管截止。
◆正是由于上部的场效应管导通而下部 的场效应管截止，此时I/O输出引脚被 拉至高电平“1”，同原来内部数据总线 信号一致，内部的数据“1”被间接输出。
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Main
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2021/3/7
◆Q=1则Q=0，下部的“与”门封闭，其输 出恒定为“0”，这就导致N沟道场效应 管截止。
◆正是由于数据输出通道的封闭，数据 只能从外部单向输入。
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Main
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2021/3/7
内部数据总线 DQ
VDD
写端口控制 写方向控制