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1、第7章 常用芯片的接口技术 概述 外设接口的编址方式 输入/输出的基本方式及基本模式 常用芯片的接口技术 小结接口接口指CPU和外设之间通过系统总线进行连接 的电路部分，是CPU与外界进行信息交换的中 转站。 接口技术 接口技术是研究CPU如何与外部世界进行最佳 耦合与匹配，实现双方高效、可靠地交换信 息的一门技术，是软件、硬件结合的体现， 是微机应用的关键。7.1 概述为什么要用接口电路？外设是用来实现人机交互的一些机电设备 。外设处理信息的类型、速度、通信方式 与CPU不匹配， 不能直接挂在总线上，必 须通过接口和系统相连。7.1 概述7.1 概述1 输入/输出系统计算机中完成输入/输出（
2、简称I/O） 操作部件称为输入/输出系统，包括I/O软 件I/O硬件两部分。而I/O硬件和软件的综 合设计称为I/O接口技术。 7.1 概述（1）I/O软件I/O软件的作用是在I/O硬件的基础上实 现输入/输出操作。在不同结构和性能的计算 机中，所采用的I/O软件技术差异很大，比如 在微型计算机中，I/O软件主要包括使用I/O 指令编写的输入/输出程序，以及操作系统中 有关管理模块。7.1 概述（2）I/O硬件7.1 概述I/O控制部件完成对输入和输出操作过程的 控制，并且有效地提高输入/输出的效率， 典型的I/O控制部件包括中断控制器、DMA 控制器等。I/O设备常见的有键盘、鼠标、显示器、
3、硬 盘机、打印机、调制解调器、扫描仪等设备 I/O接口实现I/O设备和系统总线的连接。 7.1 概述2 接口 I/O接口是指I/O设备与系统总线之间的 连接部件。 在早期的计算机中，I/O设备种类很少且不常 更换，每个I/O设备与CPU之间设有专门的逻辑控制 电路，这些逻辑控制电路与CPU构成一个相互牵扯、 不可分割的整体。 现代计算机设置了I/O接口，每个I/O设备通过 I/O接口连接在系统总线上，通过更换接口，可以方 便地更换I/O设备，增加了系统的灵活性。 7.1 概述（1）I/O接口的主要功能 l 地址选择 l 控制功能 l 状态指示 l 速度匹配 l 转换信息格式 l 电平转换 l
4、可编程性 7.1 概述（2）I/O接口的分类 l 按照与I/O设备的数据传送方可以分为 并行接口和串行接口，它们与I/O设备 之间分别以并行和串行方式进行数据 传送 l 按照通用性可以分为通用接口和专用 接口。通用接口可以适用于多种I/O设 备，专用接口只适用于特定的I/O设备 l 按照可编程性可以分为可编程接口和 不可编程接口。7.1 概述 l 不同的接口可以支持不同的输入/输出 控制方式（程序直接控制的I/O方式、 I/O中断方式、DMA方式等）。为了方 便起见，有些接口也能够同时支持多 种输入/输出控制方式，比如Intel 8255A既能支持程序直接控制的I/O方 式，也能支持I/O中断
5、方式。7.1 概述（3）I/O接口的组成图7.1 I/O接口的逻辑组成7.1 概述I/O接口一方面通过系统总线与CPU连接 ，另一方面又通过通信总线与I/O设备连接， 成为CPU与I/O设备之间交换信息的桥梁。 因此，常用的接口电路芯片有与系统总 线连接的引脚，比如数据引脚（与数据总线 连接）、地址引脚（与地址总线连接）和控 制引脚（比如读、写、时钟、复位、中断请 求输出等，与控制总线连接），也有一些与 I/O设备连接的引脚。7.1 概述 CPU与I/O设备之间交换的信息有数据 信息、控制信息和状态信息三种信息。由 I/O内部的三种寄存器来完成。 数据寄存器（或者称为数据缓冲器）存放 的是数据
6、信息,如果是输入操作，则I/O设 备首先将准备好的数据写入数据寄存器， 然后由CPU通过数据总线将数据读入。如 果是输出操作，则首先由CPU将输出的数 据写入数据寄存器，然后由I/O接口将数 据传送给I/O设备。7.1 概述 状态寄存器 存放的是I/O设备的状态信息，比如“忙 ”、“就绪”等，CPU通过对状态寄存器 的读操作可以查询I/O设备的当前状态。 控制寄存器 存放的是对I/O设备的控制命令，比如启 动、停止、工作方式选择等。当CPU需要 对I/O设备进行控制时，将控制命令写入 控制寄存器，由控制寄存器输出实现对 I/O设备的控制。 一 I/O端口I/O端口就是指I/O接口内部可由CPU
7、进 行读写操作的各种寄存器，根据存放信息的 不同，这些寄存器分别称为数据端口、控制 端口和状态端口。7.2 外设接口的编址方式对于不同的I/O接口，其内部的I/O端 口的种类、数量和字长可能存在差异， 甚至连名称也不尽相同，但本质上都是 用于存放数据、控制和状态信息的，都 是用于完成输入/输出操作的。7.2 外设接口的编址方式二 I/O端口的编址方式通常情况下一个微型计算机系统内有多个 I/O接口，每个I/O接口内部又有多个I/O端口， CPU在访问某个I/O端口时就需要对其进行地址 选择。选择的方式与访问存储器中存储单元的 情况相似，系统为每个I/O端口分配了一个地 址，这样的地址称为I/O
8、端口地址，或者简称 I/O地址。7.2 外设接口的编址方式当CPU访问某个I/O端口时（用IN/OUT指令 ），首先通过地址总线给出I/O地址，I/O 接口内的设备地址选择电路通过地址译码 选中要访问的I/O端口，然后在读、写等 控制信号的作用下对其进行读/写操作。对I/O端口安排地址的方式称为I/O端口的编 址方式。7.2 外设接口的编址方式7.2 外设接口的编址方式I/O端口的编址方式端口与存储器分别独立编址端口与存储器统一编址(1)独立编址方式 独立编址方式是指I/O端口与存储器有相 互独立的地址空间（如8086 CPU）。两者之间 所以有相互独立的地址空间，是因为访问I/O 端口和存储
9、器时采用了不同类型的读写信号。 当CPU给出一个地址时，若存储器的读或写信 号有效，则该地址在存储器中选中一个存储单 元进行读/写。相反，若I/O读或写信号有效， 则该地址选中一个I/O端口进行访问。7.2 外设接口的编址方式如果地址总线为N根，则系统的寻址空间 为 。采用独立编址方式时，则分配给存储 单元的地址共 个，而分配给I/O端口的地址 也达到 个，所以I/O端口、存储器各自都有 一个大小为 的地址空间。8086/8088系统是典型的独立编址方式， 这是因为虽然它们只提供一种读RD、写WR信号 ，但是用存储器和I/O选择信号M/IO（8088是 IO/M信号）可以区分是进行存储器读写操
10、作还 是I/O端口的读写操作，如图7.2所示。7.2 外设接口的编址方式7.2 外设接口的编址方式图7.2 8086/8088的独立编址方式 l独立编址方式优点 存储器的容量可以达到与地址总线所决 定的地址空间相同 访问I/O端口时的地址位数可以较少，提 高总线的利用率l独立编址方式缺点 必须设置专门的I/O指令，增加了指令系 统和有关硬件的复杂性 7.2 外设接口的编址方式(2) 统一编址方式(或称为存储器映射编址) I/O端口与存储器共享同一个地址空间，所有 的存储单元只占用其中一部分地址，而I/O端口 则占用另外一部分地址。 访问I/O端口和存储器可以使用相同的读写信 号，在这种情况下，要求给各个存储单元和各 个I/O端口分配互不相同的地址，CPU通过不同 地址来选择某一个存储单元或I/O端口进行访问 。 7.2 外设接口的编址方式两种编址方式中地址空间的关系: 7.2 外设接口的编址方式(a) 独立编址方式 (b) 统一编址方式 7.2 外设接口的编址方式统一编址方式的优点 无需专门的I/O指令,编程较为灵活 统一编址方式的缺点 I/O端口占用了存储器的一部分地址空 间因而影响到系统中存储器的容量 访问存储器和访问I/O端口必须使用相同 位数的地址，使指令地址码加长，总线中 传送信息量增加 作业1，2，3，6，7
