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1、1 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 2 5 1I O接口概述 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 必须经过中间电路再与系统相连 这部分电路被称为I O接口电路 多种外设 4 5 1I 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 使用和构造相应的接口电路 编制配套的接口程序 支持和连接有关的设备 5 常见接口插槽 PS2鼠标 PS2键盘 千兆网 10
2、100M网卡 USB 并行口 MIDI 游戏接口 显示器接口 1394 1394a 音箱 线入接口 麦克风 串行口 6 5 1 2I O接口 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 缓冲环节 输入接口有锁存 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 7 5 1 2I O接口 I O接口的典型结构 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 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
3、看内部 数据寄存器保存外设给CPU和CPU发往外设的数据 状态寄存器保存外设或接口电路的状态 控制寄存器保存CPU给外设或接口电路的命令 理解端口 9 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 10 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
4、用 以增强其总体功能 11 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 12 5 1 3I 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 13 I O端口单独编址 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缺
5、点 I O指令没有存储器指令丰富 80 x86采用I O端口独立编址 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 15 8088 8086的输入输出指令 输入指令INAL i8 DX 字节输入INAX i8 DX 字输入输出指令OUTi8 DX AL 字节输出OUTi8 DX AX 字输出 功能演示 功能演示 16 例 一个输入设备的简单接口电路 该电路在CPU执行指令MOVDX 284HINAL DX将输入设备的数据读入CPU内AL中 图中译码电路的作用 只当
6、A15 A0上出现284H时 即0000001010000100B 输出0 其他输出1 IO总线 三态缓冲器 开关状态 DB IOR 地址译码 AB 284H 0 0 0 D7 D0 A15 A0 与非 17 例 一个输入设备的简单接口电路 三态缓冲器 开关输入 数据线 IOR 地址译码 地址线 284H 0 0 0 D7 D0 A15 A0 与非 IO总线 D0 D7 K1 K8 A15 A0 IOR CLK D7 D0 T4 T1 T2 T3 Tw 0000001010000100 执行 MOVDX 284HINAL DX 01101101B 6DH IN指令时序 问题 P290图5 11
7、K2 K5 K8闭合时DB AL 18 例 一个输入设备的简单接口电路 三态缓冲器 输入设备 数据线 IOR 地址译码 地址线 284H 0 0 0 D7 D0 A15 A0 与非 IO总线 MOVDX 284HINAL 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 思考 其他的指令为什么不可以 例 INAL 50H MOVAL 0284H 19 例 一个输出设备的简单接口电路 该电路在CPU执行指令MOVAL 81HMOVDX 288H
8、OUTDX ALCPU内AL中的数据81H送至输出设备 IO总线 锁存器 输出设备 数据线 IOW 地址译码 地址线 288H 0 0 0 D7 D0 A15 A0 与非 例 LED指示灯 图中译码电路的作用 只当A15 A0上出现288H时 即0000001010001000B 输出0 其他输出1 参见P291图5 12 20 例 一个输出设备的简单接口电路 IO总线 锁存器 输出设备 数据线 IOW 地址译码 地址线 288H 0 0 0 D7 D0 A15 A0 与非 例 LED指示灯 OUT指令时序 A15 A0 CLK IOW D7 D0 T4 T1 T2 T3 Tw 0000001
9、010001000 执行 MOVAL 81HMOVDX 288HOUTDX AL 21 例 一个输出设备的简单接口电路 PC总线 锁存器 输出设备 数据线 IOW 地址译码 地址线 288H 0 0 0 D7 D0 A15 A0 与非 例 LED指示灯 MOVDX 288HOUTDX AL 输出设备接口电路 即硬件上保证 只在CPU执行从288H端口输出数据时 锁存器处于触发状态 其输出随输入变化 而CPU执行其它指令时 锁存器均处于锁存状态 其输出不随输入变化 思考 其他的指令为什么不可以 例 OUT50H AL MOV 0288H AL 问题 对本电路MOVDX 288HINAL DX结果
10、如何 22 I O端口的译码 译码电路的作用译码电路的构成 与存储器译码相似 设计译码电路的方法片内译码和片选译码 23 I O译码电路的作用 将CPU执行IN OUT指令发出的信号 翻译 成欲操作端口的选通信号 此信号常作为接口内三态门或锁存器的控制信号 接通或断开接口数据线与系统的连接 A15 A0 IOR CLK D7 D0 T4 T1 T2 T3 Tw A15 A0 CLK IOW D7 D0 T4 T1 T2 T3 Tw IN指令时序 OUT指令时序 24 设计译码电路的方法 根据端口地址确定地址信号A15 A0的条件取值 用门电路 译码器及组合 PLD GAL实现满足条件情况的电路
11、设计I O译码电路时 端口的选通信号通常为低电平有效 除端口的地址信号参加译码外 控制信号IOW IOR IO M AEN也可参加译码 译码电路 A0A1A14A15IORIOWAEN 25 例 设计端口地址为218H的译码电路 分析CPU执行IN OUT指令时 发出端口的地址信号MOVDX 218HINAL DX或OUTDX AL对应218H端口的地址信号为 只取A9 A0 A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0 地址信号 1000011000B218H只要满足此地址取值的译码电路均可 26 方法一 用门电路实现218H的地址译码 数据线DB RD WR CS 端口译码电路 0 A9A8A
12、7A6A5A4A3A2A1A0AENIORIOW I O接口 IO总线 D0 D7 D0 D7 10000110000 译码电路部分满足 只当地址信号A9 A0为 A9A8A7A6A5A4A3A2A1A01000011000即218H时 输出 0 使I O接口的 CS有效 否则输出 1 使I O接口的 CS无效 27 地址重叠现象 数据线DB RD WR CS 端口译码电路 0 A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0AENIORIOW I O接口 IO总线 D0 D7 D0 D7 10000110000 注意译码电路中 由于高位地址线A15 A10未参与译码 即 地址A15 A0为 1000
13、011000均能输出 0 低电平 所以该电路使 一个端口对应多个地址共26 64个218 618 A18 E18 等等 28 方法二 用译码器 门电路组合实现地址译码 问1 Y1 Y7译出的端口地址各是多少 问2 将A0与A2位置互换Y0 Y7译出的端口地址各是多少 29 答1 Y0 Y7译出的端口地址分别是219H 21FH 答2 将A0与A2位置互换Y1 Y7译出的端口地址分别是218H 21CH 21AH 21EH 219H 21DH 21BH和21FH 30 I O地址的译码小结 I O地址的译码方法与存储器地址的译码方法一样 但有它的特点 每个接口电路通常只占用几个I O地址 这时可
14、以利用基本逻辑门电路进行地址译码除采用译码器 门电路进行译码外 I O地址译码还经常采用可编程逻辑器件PLD 31 IBMPC XT主机板的I O译码电路 32 5 1 4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 33 1 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
15、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 按键或按纽等无条件传送的接口和操作均十分简单这种传送有前提 外设必须随时就绪 传送流程 34 无条件传送 输入示例 35 无条件传送 输出示例 36 简单输入接口举例 MOVDX 218HINAL DX 37 简单输出接口举例 MOVDX 219HOUTDX AL 38 2 查询传送方式及其接口 CPU需要先了解 查询 外设的工作状态 然后在外设可以交换信息的情况下 就绪 实现数据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
16、特点是 工作可靠 适用面宽 但传送效率低 就绪 39 查询传送的两个环节 查询环节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 传送环节寻址数据口是输入 通过输入指令从数据端口读入数据是输出 通过输出指令向数据端口输出数据 传送流程 接口实例 40 查询输入接口电路 MOVDX 8000H DX指向状态端口status INAL DX 读状态端口TESTAL 01H 测试标志位D0JNZstatus D0 0 未就绪 继续查询INCDX D0 1 就绪 DX指向数据端口INAL DX 从数据端口输入数据 41 查询输出接口电路 MOVDX 8000H DX指向状态端口status INAL DX 读取状态端口的状态数据TESTAL 80H 测试标志位D7 80H 10000000BJZstatus D7 1 未就绪 继续查询INCDX D7 0 就绪 DX指向数据端口MOVAL BUF 变量buf送ALOUTDX AL 将数据输出给数据端口 42 3 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
