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1、第 8 章,第8章 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,8.1 I/O接口概述,1、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,8.1 I/O接口概述（续1）,2、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,3、I/O接口的主要功能, 解决CPU和外设之间速度
2、不匹配的问题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 注：外设经接口与总线连接，必遵循“输入要缓冲、输出要锁存”的原则 实现电平转换 (3)转换信息格式 模数与数模转换开关量转换 并行串行转换,（4）实现CPU与外设之间同步工作一般采用时序控制电路使CPU和外设同步工作。接口电路接收CPU送来的命令或控制信号、定时信号，实施对外设的控制与管理，外设的工作状态和应答信号也通过接口及时返回给CPU，以握手联络信号来保证主机和外部IO操作实现同步。 （5）实现CPU对端口的选择一个外部设备接口中通常包含若干个端口，在同一时刻，CPU只能与某一个端口交换信息。必须具有译码电
3、路进行译码选址。,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,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： 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,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
4、异较大,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,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,8.2 CPU与端口之间的接口技术,一、I/O端口的编址方法1、I/O端口
5、的统一编址方式2、I/O端口的独立编址方式 二、I/O端口地址译码 三、8086 CPU与端口之间的硬件接口,一、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M6800,1、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,2、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
6、样灵活； I/O地址空间可大可小； 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）；,3、8088/8086的输入输出指令,输入指令 IN AL, i8/DX ;字节输入 IN AX, i8/DX ;字输入 输出指令 OUT i8/DX, AL ;字节输出 OUT i8/DX，AX ;字输出,功能演示,功能演示,二、I/O地址的译码,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： 分为两个部分：接口的选择和端口的选择。 部分译码时，通常是中间地址线不连接 部分译码也有最低地址线不连接的情况 每个接口电路通常只占用几个I/O地址，这时可以利用
7、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 为了给系统一定的选择余地，有些接口电路利用比较器、开关或跨接器等进行多组I/O地址的译码,给几个 译码实例,逻辑门电路进行I/O地址译码,CS,3E7H,74LS138进行I/O地址译码,三、8086 CPU与端口之间的硬件接口,1） I/O端口仅使用偶地址的接口技术。此时I/O接口电路的8位数据线与CPU数据总线的低8位相连，见图8-6。 2）仅使用8086CPU奇地址的接口技术。 3） I/O端口使用连续的地址，必须附加8位数据至16位数据的转换逻辑电路，见图8-7 。,图8-6 仅使
8、用8086CPU偶地址的接口,图8-7 使用8086CPU连续地址的接口,8.3 CPU与端口之间的数据传送方式,程序控制传送方式通过CPU执行程序中的I/O指令来完成传送，又分为：无条件传送、查询传送中断技术传送方式外设主动，可与CPU并行工作，但每次传送需要大量额外时间开销 ;直接存储器存取（DMA）方式传送请求由外设向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,一、程序控制传送方式,1. 无条件传送方式（又称同步传送方式）无条件传送方式是假设输入接口数据已经准备好，或者输出设备是空闲的，此时CPU无需查询状态，可直接用IN和
9、OUT指令完成与接口之间的数据传送。 实质：用程序来定时同步传送数据 特点：无条件传送是最简便的传送方式， 它所需的硬件和软件都较少。 适用条件：I/O设备定时为已知的、或在固定时间内要执行I/O操作的外设。,传送流程,接口实例,无条件传送：输入示例,MOV DX, 160H IN AL, DX,无条件传送：输入实例,MOV DX, 160H IN T AL, DX,无条件传送：输出示例,MOV DX, 160H MOV AL, BX OUT DX, AL,无条件传送：输出实例,MOV DX, 160H MOV AL, BX OUT DX, AL,2、条件传送方式（查询式传送 ）一个数据传送的
10、过程软件必须由以下三个环节组成：、CPU从状态端口中读取一个状态字。、CPU检测状态字的某对应位是否满足“就绪”的条件，如果不满足，则回到前一步重新读取状态字。、如果状态字表明该外设已处于“就绪”状态，则进行数据的传送。,（1）查询方式下的输入接口,2）输入接口软件,mov dx,8000h ;DX指向状态端口 status: in al,dx ;读状态端口test al,01h ;测试标志位D0jz status ;D00，未就绪，继续查询inc dx ;D01，就绪，DX指向数据端口in al,dx ;从数据端口输入数据,例8-3 设某接口的状态端口地址为STATE，状态位从D7位输入，
11、数据端口的地址为INPORT，输入数据的总字节数为INCOUNT，试编制查询式输入数据的程序段。 解： 设输入数据存放在内存单元的首地址为BUFFMOV SI， BUFF MOV CX， INCOUNT INPUT： IN AL， STATE TEST AL， 80H JZ INPUT IN AL， INPORT MOV SI，ALINC SI LOOP INPUT,（2）查询方式下的输出接口 输出接口硬件,2）输出接口软件,例8-4 设某接口的状态端口地址为STATE，状态位从D7位输入， 数据端口的地址为OUTPORT，输出数据的总字节数为OUTCOUNT，试编制查询式输出数据的程序段。
12、解：设输出数据段在内存单元的首地址为BUFFMOV SI，BUFF MOV CX，OUTCOUNT OUTPUT： IN AL，STATE TEST AL，80H JNZ OUTPUT MOV AL，SI OUT OUTPORT，AL INC SI LOOP OUTPUT,二 中断传送方式,传送流程,1）中断方式：当外设作好传送准备后，主动向CPU请求中断，CPU响应中断后在中断处理程序中与外设交换数据。 2）优点：（1）提高了CPU的利用率（2）外设处于主动地位，实时性好。缺点： （1）为能接收中断的请求信号，CPU内部要有一些线路来控制 （2）每响应中断一次，都要保护现场、恢复现场，浪费了
13、不必要的CPU时间 3）适于传送少量的输入输出数据。,注意：,中断传送是一种效率更高的程序传送方式 进行传送的中断服务程序是预先设计好的 中断请求是外设随机向CPU提出的 CPU对请求的检测是有规律的：一般是在每条指令的最后一个时钟周期采样中断请求输入引脚,三. DMA传送方式,希望克服程序控制传送的不足： 外设CPU存储器 外设CPU存储器 直接存储器存取DMA： 外设存储器 外设存储器 CPU释放总线，由DMA控制器管理,DMA传送的工作过程, CPU对DMA控制器进行初始化设置 外设、DMAC和CPU三者通过应答信号建立联系：CPU将总线交给DMAC控制 DMA传送 DMA读存储器：存储器 外设 DMA写存储器：存储器 外设 自动增减地址和计数，判断传送完成否,传送流程,四、传送方式的比较,无条件传送：慢速外设需与CPU保持同步 查询传送： 简单实用，效率较低 中断传送：外设主动，可与CPU并行工作，但每次传送需要大量额外时间开销 DMA传送：DMAC控制，外设直接和存储器进行数据传送，适合大量、快速数据传送,
