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1、6.1 输入输出接口的基本概念,第六章 输入输出接口,一、I/O接口与端口, I/O接口（Interface）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的电路。 I/O端口（Port）接口中的寄存器（数据端口、控制端口、状态端口）。,1、接口举例,2、I/O接口的基本结构,3、CPU与外设之间的信息,4、I/O接口要解决的问题,速度不匹配 信号电平不匹配信息格式不匹配时序不匹配信号的驱动能力,5、I/O接口的功能,设置数据缓冲以解决两者速度差异设置信号电平转换电路设置信息转换逻辑以满足对各自格式的要求设置时序控制电路来同步CPU和外设的工作提供地址译码电路提供联络信号最
2、好是可编程控制,二、I/O端口的编址方式,数据端口状态端口控制端口,端 口,控制端口,1、端口与内存统一编址（存储器映象）,特点：指令及控制信号统一，无需专门指令内存地址资源减少无法区分是对内存还是对I/O操作,例如 MC6800、MCS-51等就没有独立I/O寻址空间。,2、端口独立编址（I/O映象）,特点：内存地址资源充分利用需专门的访问端口的指令：IN、OUT,例如 80X86、Z80系列等存储器与I/O是分开寻址的，各自有独立的寻址空间和不同的时序。,1、8086与存储器及I/O端口连接相关信号线,三、8086与I/O端口的设计,2、8086的I/O端口编址,采用I/O独立编址方式(但
3、地址线与存储器共用)地址线上的地址信号用M/IO来区分I/O操作只使用20根地址线中的16根：A15A0可寻址的I/O端口数为64K(65536)个I/O地址范围为0FFFFHIBM PC只使用了1024个I/O地址(03FFH)，其中0 FF为直接寻址范围。,3、I/O地址的译码,（1）参加译码的信号：IOR、IOW、A15 A0OUT指令将使总线的IOW信号有效IN指令将使总线的IOR信号有效,当接口只有一个端口时，16位地址线一般应全部参与译码，译码输出直接选择该端口；当接口具有多个端口时，则16位地址线的高位参与译码（决定接口的基地址），而低位则用于确定要访问哪一个端口。,（2）I/O
4、地址的译码方法,A Y0 B Y1 C Y2 Y3 Y4G2B Y5 G2A Y6 G1 Y7,A5,A6,A8,74LS138,A7,A9,AEN,PPICS,T/C CS,INTRCS,DMACS,IOW,WRTDMAPG(写DMA页面寄存器),WRTNMIREG（写NMI屏蔽寄存器）,IBM PC/XT 片选信号的产生,（8237）（8259A）（8253）（8255A）,IBM PC/XT 系统板I/O端口地址分配,扩展槽I/O端口地址分配,四、数据的传送方式,1、并行传送方式： 同一时刻传送多位数据。优点：传送速度快、效率高。缺点：传输距离短（成本、线间干扰）2、串行传送方式：将数据
5、一位一位地传送。优点：传输线少，成本较低。适合于远距离传输。缺点：传送速度慢。,五、接口分类,按接口与外设数据传送的方式可以分为：并行接口与串行接口。,一、接口的基本构成,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,控制逻辑,6.2 简单的输入输出接口芯片,二、接口的类型及特点,1、接口按信息的流向分类,2、接口特点,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）,三、三态门接口,高电平、低电平、高阻态。,1、电平信号的三种状态,Y,Y
6、,A,A,L,L,(a),(b),三态门原理图,2、三态门的工作波形,四、常用接口芯片,1、74LS244（单向数据驱动器）,含8个三态门的集成电路芯片分两组，1G控制1A1-1A4，2G控制2A1-2A4在外设具有数据保持能力时用作输入接口为单向数据缓冲器，常用作地址驱动。,2、74LS245（双向数据总线缓冲器）,含8个三态门的集成电路芯片除门控信号G外，有一方向控制端DIRDIR=1，An Bn（n=18）DIR=0，反方向传递常用于数据的双向传送、缓冲和驱动,引脚图,逻辑图,3、74LS374（锁存器）,逻辑图和真值表由D触发器构成可直接挂到总线上具有对数据的锁存能力具有三态总线驱动能
7、力,4、简单的输入输出接口设计,6.3 CPU与I/O的控制方式,CPU与外设的工作速度不一致，如何使两者高效、可靠地进行数据传送，采样如下控制方式：,无条件方式CPU与外设同步工作，外部控制过程各种动作时间是固定的，而且是已知的。查询方式CPU与外设不同步工作，传送前，先查询外设状态，准备好才传送，否则CPU处于等待状态。中断方式外设与CPU处于并行工作，一旦外设准备好，外设向CPU发中断申请，条件具备，CPU暂停原程序执行，响应中断，外设与CPU串行工作。DMA方式解决高速I/O及成组交换数据问题。CPU不干予，由硬件实现存储器与外设之间交换数据，称直接存取存储器。,一、无条件传送, 实现
8、方法 CPU不查询外设工作状态， 与外设速度的匹配通过在软件上延时完成， 在程序中直接用I/O指令，完成与外设的数据传送 特点 1. 适用于外设动作时间已知， 在CPU与外设进行数据传送时，外设保证已准备好的情况 2. 软硬件十分简单。,无条件传送例一,读取开关的状态当开关闭合时，对应的发光二极管亮程序段：,.MODEL SMALL.STRACK 100H.DATA.CODE.STARTUPMOV DX,03F8H IN AL,DXMOV CL,4ROL AL,CLOUT DX，AL.EXIT 0END,DAC0832与PC的接口,1、DAC0832的管脚D0D7数字量输入端。CS片选信号，低
9、电平有效。WR1输入寄存器写信号。ILE输入寄存器允许信号。在CS=0，且WR1=0，ILE=1时，将D0D7的数据写入8位输入寄存器。WR2DAC寄存器写信号。XFERDAC寄存器传递控制信号。在WR2=0，XFER=0时，8位输入寄存器将D0D7的数据写入DAC寄存器。IOUT1、IOUT2模拟信号输出。RFB反馈电阻。 AGND模拟地。VCC电源+5V。DGND数字地。VREF参考电源，-10V+10V。,无条件传送例二,2、DAC0832电路,DAC_P:PROC NEARMOV DX,220HMOV CX,256MOV BX,OFFSET DOUTDAC_L:MOV AL,BXOUT
10、 DX,ALCALL DELAY-1MSINC BXLOOP DAC_LRETDAC_P:ENDP,例，编一个输出256个数据的子程序。数据区的首地址为：DOUT。,二、查询工作方式,实现方法：在与外设进行传送数据前，CPU先查询外设状态，当外设准备好后，才执行I/O指令，实现数据传送。特点：CPU通过不断查询外设状态，实现与外设的速度匹配。CPU的工作效率低,3、A/D转换器ADC08098简介,特性8通道（8路）输入8位字长 逐位逼近型转换时间100s 内置三态输出缓冲器,引脚功能D7D0：输出数据线（三态）IN0IN7：8通道（路）模拟输入A、B、C：通道地址（通道选择）ALE：通道地址
11、锁存START：启动转换EOC：转换结束OE：输出允许（打开输出三态门）CLK：时钟输入（10KHz1.2MHz）REF(+)、REF(-)：基准参考电压,ADC0809内部结构,工作时序,ADC0809的工作过程,把通道地址送到ADDAADDC上，选择一个模拟输入端； 在通道地址信号有效期间，ALE上的上升沿使该地址锁存到内部地址锁存器；START引脚上的下降沿启动A/D变换；变换开始后，EOC引脚呈现低电平， EOC重新变为高电平时表示转换结束；OE信号打开输出锁存器的三态门送出结果 。,4、查询工作方式例,采用ADC809设计8路模拟信号输入接口电路。,说明：ADC0809通过一个输入/
12、输出接口与CPU连线。A/D数据D0D7接U8的1A12A4，A/D的状态EOC与D0一起接U8的1A1，分时使用，通过U9的Q4与Q5来控制。读数据时Q4=1，Q5=1；读状态时，Q4=0，Q5=0。,RDEOCEQU 00HRDADEQU 30HCLADEQU 20HIOADEQU 3F8HDATAS SEGMENTADCHDB 28H,29H,2AH,2BHDB 2CH,2DH,2EH,2FHADBUFDB 8 DUP(?)DATAS ENDSCODES SEGMENTASSUME CS:CODES,DS:DATAS,ES:DATASSTART: MOV AX,DATAS MOV DS,
13、AX MOV DX,IOADMOV AL,CLADOUT DX,ALMOV DI,OFFSET ADBUFMOV BX,OFFSET ADCHMOV CX,8,LP0:MOV AL,BX OUT DX,AL;启动A/DMOV AL,RDEOCOUT DX,ALLP1:IN AL,DXAND AL,01HCMP AL,01HJNZ LP1;AD转换？MOV AL,RDADOUT DX,AL;读AD数据IN AL,DXMOV DI,ALINC BXINC DIDEC CXJCXZ LP0MOV AH,4CHINT 21HCODESENDSEND START,三、中断传送方式,1、实现方法： 1.
14、当外设准备好，向CPU发出中断请求 2. CPU在满足响应中断的条件下，发出中断响应信号； 3. CPU暂停当前的程序，转 去执行中断服务程序， 完成与外设的数据传送； 4. CPU从中断服务程序返回，继续执行被中断的程序,中断方式下CPU执行程序流程,外设,2、使用中断方式时：外设准备数据，CPU执行程序,CPU与外设并行工作。 一旦外设准备就绪，外设向CPU发中断申请，CPU暂停原程序执行，响应中断，进行数据传输。此时，CPU与外设是串行工作。,CPU和外设大部分时间处在并行工作状态,只在CPU响应外设的中断申请后，进入数据传送的过程。中断传送方式提高了CPU的效率。,3、中断传送方式的特点：,四、DMA 传送方式(直接存储器存取方式), 实现方法：由专用接口芯片DMA控制器 (称DMAC) 控制传送过程，当外设需传送数据时，通过DMAC向CPU发出总线请求；CPU发出总线响应信号，释放总线；4. DMAC接管总线，控制外设、内存之间直接数据传送,DMA传送方式的特点外设和内存之间，直接进行数据传送，不通过CPU, 传送效率高。适用于在内存与高速外设、或两个高速外设之间进行大批量数据传送。电路结构复杂，硬件开销较大。,
