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1、5.1 输入/输出接口（I/O接口）,5.1.1 概述 什么是I/O接口？ 把外设连接到总线上的一组逻辑电路的总称。实现外设与主机之 间的信息交换。 I/O接口要解决的问题 速度匹配(Buffer) 信号电平和驱动能力(电平转换器、驱动器) 信号形式匹配(A/D、D/A) 信息格式(字节流、块、数据包、帧) 时序匹配(定时关系) 总线隔离(三态门),数据缓冲功能缓解接口与CPU工作速度的差异,通过接口中数据缓冲寄存器和锁存器实现. 联络功能通过接口中状态寄存器,了解外设的工作状态. 寻址功能(I/O地址译码与设备选择)把选中的与总线相接，未选中的与总线隔离（高阻态） 数据转换功能(信号电平与类
2、型的转换)形式、格式、电平、功率、码制等转换. 中断管理功能通过接口中设置的中断控制器，实现中断I/O方式下数据传送。,I/O接口的功能,I/O接口电路的分类,按通用性分：专用接口、通用接口。 专用接口：CRT显示控制器、键盘、软盘、DMA控制器等。 通用接口：ISA、PCI接口，串口、并口、USB接口等。 按可编程分：可编程接口、不可编程接口 可编程接口：在不改动硬件的情况下，用户只要修改初始化程序就可以改变接口工作方式。接口灵活性、可扩充性好。 可编程接口电路要用可编程接口芯片设计。常用可编程接口有并口8255、8253，串口8250、8251，中断8259等。 按与外设数据传送方式分：并
3、行I/O接口、串行I/O接口。,I/O端口：传送数据、命令、状态这三类信息的通道，分别称为：数据端口、命令端口、状态端口，8086CPU对端口使用I/O指令（IN指令和OUT指令）对其操作。 不同外设具有的端口类型和数目各不相同，为了便于识别，计算机中为每一个端口都赋予一个惟一编号称为端口地址(或端口号)。 在设计I/O接口电路时，为了实现CPU对端口寄存器操作，必须通过设计端口寄存器的译码电路来确定端口寄存器的端口地址。 端口有两种编址方式：统一编址和独立编址。,5.1.2 I/O接口的编址方式,1. 统一编址,把外设接口与内存统一进行编址。各占据统一地址空间的不同部分。 优点 指令统一，灵
4、活； 访问控制信号统一，使用同一组的地址/控制信号。 缺点 内存可用地址空间减小,0,地址空间(共1MB),内存地址 (960KB),I/O地址 (64KB),FFFFFH,EFFFFH F0000H,外设地址空间和内存地址空间相互独立。 优点：内存地址空间不受I/O编址的影响 缺点：I/O指令功能较弱，使用不同的读写控制信号,I/O空间 (64KB),FFFFH,I/O地址空间,0000H,2. 独立编址,采用I/O独立编址方式(但地址线与存储器共用) 地址线上的地址信号用 来区分：时为I/O地址 I/O操作只使用20根地址线中的16根： A15 A0 可寻址的I/O端口数为64K(6553
5、6)个 I/O地址范围为0FFFFH IBM PC只使用了1024个I/O地址(03FFH),8088/8086 CPU的I/O编址方式,并行 一个数据单位(通常为字节)的各位同时传送 速度快、距离短、成本高 例：PC机的并行接口(通常用于连接打印机) 串行 数据按位进行传送 速度慢、距离远、成本低 例： PC机的串行接口(通常用于串行通信),5.1.4 I/O数据的传送方式,5.2.1 接口电路的基本结构,5.2 简单接口电路,数据线,控制线,状态线,DB,CB,AB,数据输入寄存器 （or 三态门）,数据输出寄存器 （锁存器）,状态寄存器 （or 三态门）,命令寄存器,译码 电路,控制 逻
6、辑,接外设,接主机,数据输入/输出寄存器暂存输入/输出的数据 命令寄存器存放控制命令，用来设定接口功能、工作参数和工作方式。 状态寄存器保存外设当前状态，以供CPU读取。,5.3 输入输出的控制方式,在设计外设与计算机之间的接口电路前，首先要根据系统对I/O的要求(速度)、外设备的传送特点（快、慢、并行、串行）确定I/O控制方式。 I/O控制方式不同，接口电路设计方法不同，对应的I/O控制程序编写方法不同，I/O特性不同。 主机与外设之间数据传送的控制方式有以下四种： 无条件传送 查询式传送 中断方式传送 直接存储器存取(DMA, Direct Memory Access) 注意：在以后学习这
7、些I/O方式时，要了解各自I/O特点，对外设的要求，接口电路的设计方法，I/O程序编写方法。,5.3.1 无条件传送方式,适用于总是处于准备好状态的外设 可采用无条件传送方式的外设： 开关 发光器件(如发光二极管、7段数码管、灯泡等) 继电器 步进电机 优点：软件及接口硬件简单硬件上只需要提供CPU与外设连接的数据端口， 软件上则只提供相应的输入或输出指令即可。 缺点：只适用于简单外设，适应范围较窄,简单接口电路,数据输入接口 必须具有三态输出能力，以便与总线挂接 外设有数据保持能力时可用三态门实现 外设无数据保持能力时用三态输出的锁存器实现 数据输出接口 常用锁存器实现,三态门作为数据输入接
8、口的一般连接模式,三态门74LS244逻辑图,简单的输入接口举例,接口电路图如下：,83FCH 83FFH,译码器,三态门：高电平、低电平、高阻态 通常一个器件中包含8个三态门 常用芯片：74LS244 应用例子：开关接口 工作波形图如下：,A0A15,IOR#,译码输出,D0D7,开关状态,地址有效,锁存器作为数据输出接口的一般连接模式,锁存器：由D触发器构成 通常一个器件包含8个D触发器 常用芯片：74LS273 74LS374(具有三态输出的锁存器),简单的输出接口举例,74LS273引脚图及真值表,真值表,D0D7数据输入端,Q0Q7数据输出端 CP脉冲上升沿将Di数据写入到触发器Qi
9、,应用例子：发光二极管接口,例：发光二极管与微机连接的接口电路,注意：,反相器对锁存器起保护作用，当发光二极管发亮时，反相器提供足够大的吸入电流，以保护锁存器不受损坏。,显示控制程序,对于图中电路，CPU执行下述指令可以使两个发光二极管发亮：MOV DX，0000HMOV AL，81HOUT DX，AL 而CPU执行下述指令可以使两个发光二极管不发亮：MOV DX，0000HMOV AL，00HOUT DX，AL,输入/输出接口综合应用例子,举例:根据开关状态在7段数码管上显示数字或符号 共阳极7段数码管结构见教材图6.10 用74LS273作为输出接口，把数据送到7段数码管 74LS273的
10、地址假设为F0H 用74LS244作为输入口，读入开关K0K3的状态 74LS244的地址假设为F1H 当开关的状态分别为00001111时，在7段数码管上对应显示0F (7段码表见下页),O1 I1 O2 I2 O3 I3 O4 I4 #E1,K0K3,+5V,GG2AG2B C B A,1,74LS244,D0 Q0| Q1 D7 Q2Q3Q4 CP Q5 Q6Q7,a b c d e f g DP,7406,8个 反相器,74LS273,Rx8,1,74LS138,D0D7,IOW#,IOR#,Y0,Y1,F0H = 0000 0000 1111 0000 F1H = 0000 0000
11、 1111 0001,&,1,A7A4,A15A8,A3,A2,A1,A0,D0,D1,D2,D3,译码电路,相应程序段如下： Seg7 DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07HDB 7FH,67H,77H,7CH,39H,5EH,79H,71HLEA BX, Seg7 ；取7段码表基地址MOV AH, 0 GO: MOV DX, 0F1H ；开关接口的地址为F1HIN AL, DX ；读入开关状态AND AL, 0FH ；保留低4位MOV SI, AX ；作为7段码表的表内位移量 MOV AL, BX+SI ；取7段码MOV DX, 0F0H ；7段数码管接口的地
12、址为F0HOUT DX, ALJMP GO,5.3.2 查询方式传送,适用于外设并不总是准备好，而且对传送速率、传送效率要求不高的场合。 CPU在与外设交换数据前必须询问外设状态“你准备好没有？” 对外设的要求：应提供设备状态信息 对接口的要求：需要提供状态端口 优点：软件比较简单 缺点：CPU效率低，数据传送的实时性差，速度较慢,查询方式的流程图,超时?,READY?,与外设进 行数据交换,超时错,读入并测试外设状态,Y,N,Y,N,传送完？,防止死循环,复位计时器,N,Y,注：多个外设时，查询流程见教材图6.15,例1：用查询方式进行输出,外设状态端口地址为3FBH，第5位(bit5)为状
13、态标志（=1忙，=0准备好） 外设数据端口地址为3F8H，写入数据会使状态标志置1 ；外设把数据读走后又把它置0。 试画出其电路图。（电路图见下页）,D5,D7-D0,A9 | A3,1,&,A15 | A10,1,IOW,D7-D0,3F8H,外设,D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,BUSY,CP,Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0,状态端口,GG2A G2BC B A,A2 A1 A0,74LS138,Y0,1,IOR,Y3,OE,74LS374,CP,Q,Q,D,S,STROBE,3FBH,程序段？,例2：打印机输出接口电路,有完整的I/O接口（数据、状态、控制
14、） 数据端口，端口地址为02F8H，由上面的74LS273芯片构成 状态端口，端口地址为02FAH，由下面的74LS244芯片构成 控制端口，端口地址为02F9H，由中间的74LS273芯片构成,图6.7 查询方式实现I/O传送示例(a)外设与微机接口电路； (b)外设工作时序,打印机打印输出控制程序,DAOUT: MOV AX, 0D200H MOV DS,AXMOV BX，0 ；初始化内存首地址MOV CX，1000 ；初始化计数器MOV DX，02F9HMOV AL，01HOUT DX，AL ；初始化选通信号,NEXT: MOV DX，02FAH WAT：IN AL，DXAND AL,80HJNZ WAT ;状态查询环MOV DX，02F8HMOV AL，OUT DX，AL ；数据输出MOV DX，02F9HMOV AL，00HOUT DX，AL,CALL DLY100s ;DLY100s为100s的延迟子程序 MOV AL，01H OUT DX，AL ；产生选通信号 INC BX ；修改内存指针 LOOP NEXT ；输出次数的循环控制 RET,
