西安工业大学微机原理与接口技术任课教师：乔奎贤 E-mail： cren616@西安工业大学第6章 输入输出与接口技术——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，是本章讨论的问题西安工业大学第6章 输入输出与接口技术6.1 概述6.2 I/O接口6.3 中断与中断系统6.4 中断控制器8259A6.5 DMA控制器8237A第6章 输入输出与接口技术6.1 概述输入和输出设备——外部设备、I/O设备在微机系统中，被计算机处理的信息，如程序、原始数据和各种现场采集的数据需通过输入设备送入计算机处理，而计算机处理的结果又需通过输出设备显示或打印常用I/O设备：键盘、鼠标、磁盘、显示器、打印机、绘图仪等I/O设备的类型：机械式、电动式、电子式、光电式等I/O设备的信息：数字量、模拟量、开关量等接口：将来自外部设备的各种信号变换之后传送给CPU，而CPU将信息处理结果变换之后传送给外部设备4第6章 输入输出与接口技术6.1 概述键盘、鼠标——PS/2、USB扫描仪——EPP（增强并口）、USB显示器——15针D接口，也叫VGA接口5西安工业大学第6章 输入输出与接口技术6.1 概述6.2 I/O接口6.3 中断与中断系统6.4 中断控制器8259A6.5 DMA控制器8237A第6章 输入输出与接口技术6.2 I/O接口为什么需要I/O接口（电路）？u微机的外部设备多种多样u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lI/O设备的功能多种多样lI/O设备工作速度不同lI/O设备处理的信号不同 (模拟/数字信号、并行/串行)lI/O设备所需的控制信号不同7第6章 输入输出与接口技术6.2 I/O接口I/O接口：将来自外设的各种信号变换之后传送给CPU，而CPU将信息处理结果变换之后传送给外部设备。
I/O接口是CPU与外设之间传送信息的连接部件，通过系统总线与CPU相连I/O接口位于系统与外设间、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 I/O接口的特点：l通用性l可编程性8第6章 输入输出与接口技术6.2 I/O接口I/O接口的分类：u通用接口：供多种外设使用的标准接口，使微机正常工作 通用接口通常制造成集成电路芯片，称为接口芯片 l最初的IBM-PC使用了6块接口芯片： 8284、8288、8255、8259、8237、8253l后来的微机将这些芯片集成为大规模集成电路芯片，称为芯片组 如：82430TX芯片组，由两片芯片组成： 北桥：82439TX 南桥：82371ABu专用接口：9第6章 输入输出与接口技术6.2 I/O接口I/O接口的分类：u通用接口：u专用接口：为某种用途或某类外设而专门设计的接口电路，目的在于扩充微机系统的功能专用接口通常制成接口卡，插在主板总线插槽上使用通用接口和专用接口的界限并不严格10第6章 输入输出与接口技术6.2 I/O接口I/O接口的功能：I/O接口在它连接的CPU与I/O设备之间起信息转换作用，应具备如下功能：u接口内有特定的硬件电路供CPU直接存取，称为I/O端口u接口应有地址译码功能u接口可传送除基本信息（数据信息）外的各种信息11第6章 输入输出与接口技术6.2 I/O接口6.2.1 CPU与I/O设备间的信息种类CPUI/O接口外围设备数据状态控制数据状态控制I/O接口：Ø 与系统总线相连：实现与CPU的启动、选中接口等控制信号的配合，提供传输数据信息的I/O端口。
Ø 与I/O设备相连：随接口类型的不同而异，其电路结构与设备传输数据的要求以及数据格式紧密相关12第6章 输入输出与接口技术6.2 I/O接口6.2.1 CPU与I/O设备间的信息种类接口传递的不同信息用不同的I/O端口区分(数据,状态和控制信息)Ø 数据信息：CPU和外设之间交换的基本信息u数字量：通常以8/16位的二进制数及ASCII码的形式传输u开关量：用0/1表示信息，如开关的通/断u模拟量：模拟的电压、电流或非电量 Ø 状态信息：反映当前外设所处工作状态,外设通过接口往CPU传送如：输出设备是否空闲，输入设备是否数据准备好等 Ø 控制信息：CPU通过接口发送控制信息给外设如：外设的启动信号和停止信号就是常见的控制信息实际上，控制信息常随外设的具体工作原理不同而含义不同13第6章 输入输出与接口技术6.2 I/O接口I/O接口的典型结构：数据寄存器状态寄存器控制寄存器数据缓冲器CS微 处 理 器DBABCB数据控制状态I/O接口译 码读写 控制 逻辑I/O 设备××寄存器——××端口14第6章 输入输出与接口技术6.2 I/O接口6.2.2 I/O端口及编址方式端口：I/O接口中能被CPU访问的寄存器端口地址：简称端口，为了使CPU能对端口进行操作而分配的地址I/O接口的内部端口（从应用角度）：Ø 数据寄存器 —— 数据端口：保存CPU与外设之间传送的数据Ø 状态寄存器 —— 状态端口：保存外设或接口电路的状态Ø 控制寄存器 —— 控制端口：保存CPU给外设或接口电路的命令CPU同外设之间的信息传递，实质上是对端口进行读/写操作15第6章 输入输出与接口技术6.2 I/O接口6.2.2 I/O端口及编址方式I/O接口的的外部特性：主要体现在引脚上，分成两侧信号u面向CPU一侧的信号：l用于与CPU连接l主要是数据、地址和控制信号u面向外设一侧的信号：l用于与外设连接l提供的信号五花八门l功能定义、时序及有效电平等差异较大16第6章 输入输出与接口技术6.2 I/O接口6.2.2 I/O端口及编址方式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：u初始化程序段——设定芯片工作方式等u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17第6章 输入输出与接口技术6.2 I/O接口端口编址方式：Ø 端口与存储器统一编址：（存储器映像编址）将I/O接口中的每个寄存器看作存储器的一个存储器的一个存储单元，纳入统一的存储器地址空间，为每个端口分配一个存储器地址，CPU可以以访问存储器的方式访问端口内存 部分I/O 部分存储器 空间00000HFFFFFHu优点：不需专用IO指令，使程序设计灵活；I/O端口的地址空间可大可小，可使外设数量几乎不受限制 u缺点：影响内存容量；访问I/O端口的执行时间增加18第6章 输入输出与接口技术6.2 I/O接口端口编址方式：Ø 端口独立编址：（专用的I/O端口编址）I/O端口不占用存储器的地址空间，端口地址是独立的，CPU使用专门的I/O指令访问I/O端口内存空间I/O 空间FFFFFHFFFFH0u优点：lI/O端口的地址短，译码电路简单；lM同I/O端口的操作指令不同，程序清晰；lM和I/O端口控制结构相互独立,可分别设计u缺点：需专用I/O指令；程序设计灵活性差80x86采用I/O端口独立编址19第6章 输入输出与接口技术6.2 I/O接口u8088的I/O端口地址8088只能通过输入输出指令与外设进行数据交换；呈现给程序员的外设是端口（Port），即I/O地址l8088用于寻址外设端口的地址线为16条，端口最多为216＝65536（64K）个，端口号为0000H ~ FFFFHl地址线上的地址信号用 IO / M*来区分l每个端口用于传送一个字节的外设数据lIBM PC只使用了1024个I/O地址(0～3FFH)20第6章 输入输出与接口技术6.2 I/O接口6.2.3 8086/8088的I/O指令Ø IN输入指令：指令格式：INAL ,PORT; 从端口读取字节信息INAX ,PORT; 从端口读取字信息指令功能：AL←（PORT）字节数据；AX←（PORT）字数据说明： u端口地址可以是8位立即数(直接寻址)，范围：0~255(0~FFH)u端口地址可存入DX寄存器(间接寻址)，范围：0~65535(0~FFFFH)uI/O指令不影响标志位例如：INAX ,86HINAL ,DX输 入 端 口数据线 地址译码 (RD,IO/M ) IOR21第6章 输入输出与接口技术6.2 I/O接口Ø OUT输出指令：指令格式：OUT PORT , AL ; 向端口输出字节信息OUT PORT , AX ; 向端口输出字信息指令功能：（PORT）←AL字节数据；（PORT）←AX字数据说明：端口地址和累加器的规定与输入指令IN相同例如：OUT84H , AXOUTDX ,AL输 出 端 口数据线 地址译码 (WR,IO/M ) IOW22第6章 输入输出与接口技术6.2 I/O接口6.2.3 8086/8088的I/O指令【例】向300H端口输出一个字节唯一的方法：间接寻址MOV AL ,n ; n是字节数据MOV DX , 300HOUT DX ,AL23第6章 输入输出与接口技术6.2 I/O接口6.2.4 主机与外设之间的数据传输方式CPU与外围设备之间的数据转送：即CPU与接口之间的数据传送I/O数据传送的方式：Ø 程序控制方式： u直接传送方式：（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 u查询传送方式： （CPU与外设不同步工作）：传送前查询外设状态，准备好才传送，否则CPU等待Ø 中断控制方式：外设与CPU处于并行工作Ø DMA（直接存储器存取）传送方式：由硬件实现存储器与外设之间交换数据24第6章 输入输出与接口技术6.2 I/O接口Ø 程序控制方式：I/O操作在程序控制下进行，用IN和OUT指令直接访问I/O端口u直接传送方式：——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。
l实现方法：⑴ CPU不查询外设工作状态；⑵ 与外设速度的匹配通过在软件上延时完成；⑶ 程序中直接用I/O指令，完成数据传送l特点：⑴ 这种传送有前提：外设必须随时就绪；⑵ 适合于简单设备，如开关、发光二极管、 LED数码管、 继电器、按键或按纽等设备； ⑶ 无条件传送的接口和操作均十分简单25第6章 输入输出与接口技术6.2 I/O接口Ø 程序控制方式：u直接传送方式：接口电路 —— 硬件保证:只在CPU执行从相应端口输入数据时,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AB输 入 设 备三 态 缓 冲 器地址译码器DB（D7~D0 ）IOR(RD,IO/M)输入26第6章 输入输出与接口技术6.2 I/O接口Ø 程序控制方式：u直接传送方式：输出AB输出设备锁 存器地址译码器DB（D7~D0 ）IOW(WR,IO/M)27第6章 输入输出与接口技术6.2 I/O接口u查询传送方式：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。
l准备好——就绪(Ready)输入：“就绪”说明输入接口已准备好送往CPU的数据,正等着CPU来读取该状态也可用接口中数据缓冲器已“满”来描述输出：“就绪”说明输出接口已做好准备,等待接收CPU要输出的数据该状态也可用接口数据缓冲器已“空”、或者用接口（外设）“闲”或不“忙(Busy)”来描述28第6章 输入输出与接口技术6.2 I/O接口u查询传送方式：CPU与外设不同步工作l查询传送的两个环节⑴ 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⑵ 传送环节•寻址数据口•若是输入，通过输入指令从数据端口读入数据•若是输出，通过输出指令向数据端口输出数据输入状态就绪？数据交换YN29第6章 输入输出与接口技术6.2 I/O接口u查询传送方式：——CPU与外设不同步工作当CPU需要对多个设备进行操作时，则CPU按。