第 3 章 基本的 IO 接口3.1 I/O 概述I/O 接口基本概念 1.为什么要引入接口•微机和 I/O 设备的信息类型和格式可能不一样•微机和 I/O 设备信号传输处理的速度可能不匹配•不用接口，I/O直接接CPU，随着外设增加，会大大降低 CPU 的效率•I/O直接接CPU,会使外设硬件结构过于依赖CPU, 对外设本身发展不利2.接口的概念3.I/O 接口与 I/O 设备 不同 I/O 设备对应 I/O 接口不同I/O接口受CPU控制，I/O设备受I/O接口控制 为增加通用性， I/O 接口的接口电路一般均具有可 编程功能微机的应用离不开与外部设备接口的设计、选用和 连接4．I/O 接口功能.数据缓冲功能：通过寄存器或锁存器实现存放数据的寄存器 或锁存器称之为数据口（输入、输出、双向 数据传送的方向以 CPU/MPU 为基准 .接受和执行 CPU 命令功能：存放 CPU 命令代码的寄存器称之为命令口，存 放执行状态信息的寄存器称之为状态口一般，命令口为输出口，状态口为输入口 .设备选择功能：CPU 通过地址译码选择不同外设即 CPU 通过 地址译码选择不同 I/O 接口信号转换功能：协调总线信号与 I/O 设备信号。
转换包括信号 的逻辑关系、时序配合和电平转换中断管理功能:当外设需要及时得到 CPU 的服务，特别是在出 现故障时，在接口中设置中断控制电路，为 CPU 处理有 关中断事务（如发出中断请求、进行中断优先级排队、 提供中断向量等），这样既做到微机系统对外界的实时响 应，又使 CPU 与外设并行工作，提高了 CPU 的效率数据宽度变换的功能CPU 能直接处理的是并行数据（8 位、16 位或 32 位等），而有的外设（如串行通信设备、 绘图仪、 电传打字机等）只能处理串行数据，在这种情况下，接 口就应具有数据"并-串"和"串-并"变换的能力可以通 过编程改变接口性能及工作方式的接口芯片称为通用接 口芯片， 反之，称为专用接口芯片可编程功能：增加接口的灵活性和智能性5．I/O 接口组成 接口由接口硬件和接口软件组成 1.接口硬件恍冲CPU 侧引脚信号：地址信号：选择 I/O 接口中的不同寄存器； 数据信号：根据命令类型，送到对应的寄存器中， 或从寄存器中取得数据或状态；控制信号：控制命令的执行、时序、信号同步和片 选；状态信号：外设工作状态送给接口的状态寄存器； 状态信号：接口的部分工作状态信号。
根据控制寄存器、状态寄存器、总线控制信号及外 设状态信号控制 I/O 接口的工作外设侧引脚信号：数据信号：接口缓冲寄存器与外设间的数据交换； 状态信号：外设工作状态送给接口的状态寄存器； 控制信号：接口的内部控制逻辑控制外设工作的控 制信号和同步信号内部控制逻辑： 根据控制寄存器、状态寄存器、总线控制信号及外 设状态信号控制 I/O 接口的工作2.接口软件（设备驱动程序） 初始化程序段：设置接口工作方式及初始条件传送方式处理程序段：CPU针对不同的I/O设备有 不同的处理方式主控程序段：完成接口任务的程序 程序终止与退出程序段：接口电路硬件保护及操作 系统中数据恢复辅助程序段：提供人-机对话手段3.1.1 CPU与I/O之间的接口信号1） 数据信息数字量、模拟量、开关量等2） 状态信息准备就绪信号、请求信号、忙/闲信号等3） 控制信息读写信号、响应信号等3.1.2 I/O端口及CPU对I/O端口的访问1） I/O 端口（PORT）I/O 端口是供 CPU 直接存取访问的接口中 的寄存器或电路接口中的命令口、状态口和数据口均 为 I/O 端口一般情况下，一个端口只能写入或读出一 种信息，但是也可能几种信息共用一个端口，比如 8255 的一个命令口可以接收方式控制字和位控字这两种命 令。
甚至一个口地址对应多个端口的物理单元，由接口 自行解决冲突在实际应用中，接口芯片内部端口地址 的设置有各种技术，比如跟随技术、预留技术、特征位 技术、共用口地址技术等，与存储芯片内部地址的划分 有很多不同之处2） I/O 端口地址对接口中的不同寄存器或电路的编号称为I/O端口地址CPU通过向命令端口发命令来实现对接 口最终对设备进行控制访问设备实际上是访问相关的 端口3 ）端口的类型：数据端口、状态端口、控制端口2．CPU 对 I/O 端口的访问读：I/O地址T AB T I/O接口 READ 信号 T CB T I/O 接口 I/O 数据 T DB T CPU 写：数据 T DB T I/O 接口 I/O 地址 T AB T I/O 接口 WRITE 信号 T CB T I/O 接口3.1.3 I/O 端口的编址方式1． 独立的 I/O 编址I/O 端口地址空间与存储器地址空间相互 独立优点：MEM地址空间不受I/O端口地址空间影响;I/O 端口数量不多，占用地址线少，地址 译码简单，速度较快；使用专用I/O命令(IN/OUT)，与MEM访问 命令(LOAD/STORE、MOV)有明显区别，便于理解和检查。
缺点：专用I/O指令增加指令系统复杂性，且I/O 指令类型少，程序设计灵活性较差；要 求 处 理 器 提 供 MEMR/MEMW 和IOR/IOW两组控制信号，增加了控制逻辑的复杂性2． 存储器映象编址（统一编址）一个 I/O 端口等同于一个存储器单元存 储单元和 I/O 端口统一编址优点：对 I/O 端口的访问命令与对存储器单元访 问相同，不必使用专用I/O指令；外设数目或I/O寄存 器数几乎不受限制微机系统读写控制逻辑较简单缺点：I/O 端口占用部分 MEM 空间，可用 MEM 空 间减小；对 MEM 访问指令较长，执行速度较慢；I/O 端口地址译码时间较长3 •现代微机的I/O编址独立的 I/O 编址方式， I/O 寻址空间为 64 KBI/O 指令采用直接寻址和间接寻址方式；直接寻址范围：00 - OFFH，间接寻址范围： 0000 - 0FFFFH3.1.5 Intel 系列微机 80X86 的 I/O 指令1)I/O 端口与累加器间 I/O 指令——寄存器 I/O 指令格式：IN、OUT结果：完成 I/O 端口和 EAX、 AX、 AL 之间的数 据传送，可使用直接寻址和间接寻址方式。
举例： IN AL，DX (后送前)OUT E0H，AX2)I/O 端口与存储器间 I/O 指令——块 I/O 指 令格式： INSB/W/D 、 OUTSB/W/D 参数：用 DX 指定 I/O 端口地址，输入/输出时 的目的/源 RAM 地址用 ES:DI(EDI)/DS:SI(ESI) 指定EFLAG 寄存器中 DF 位来决定地址加和减 结果：通过前缀 REP 在 I/O 端口和连续的存储 器空间之间传送数据3.2 I/O 数据传输方式3.2.1 程序控制传输方式1. 无条件传送方式 特点：输入时假设外设已准备好，输出时假设外设 空闲要求：接口输入时加缓冲器，输出时加锁存器 CPU 与外设一定要能保证非常准确的同步应用：对简单外设的操作无条件传送方式一般只需要数据端口数居输出示愆图2.条件传送方式（查询方式）工作原理：CPU查询外设已准备好后，才传送数据 特点： CPU 与外设间自然同步要求 需要增加表示外部设备状态的简单硬件电路 应用：适用在 CPU 不太忙且传送速度要求不高时 采用查询方式的接口一般需要两个端口，即数据端 口和状态端口Ml断特点：CPU与外设可同时工作要求：接口中需要中断控制逻辑支持。
应用：适用与非高速度大量数据传送时3.2.3直接存储器存取(DMA)方式特点：数据的传送不经过CPU, I/O设备管理由CPU 控制，简化CPU对I/O的控制要求：需要 DMA 控制器及相关逻辑支持应用：适用与高速度大量数据传送时I_Hi/o设备3.2.4 I/O 处理机方式特点I/O处理机接管了 CPU的各种I/O操作及I/O 控制功能，CPU能与IO处理机并行工作要求：需要 IO 处理机支持应用：高速 I/O 归 IO 处理机管理，低速 I/O 设备 归 CPU 管理按照 x86 系列微机系统中 I／O 接口电路的复杂程 度及应用形式，可以把 I／O 接口的硬件分为两大类：（1） 系统板上的 I／O 接口芯片这些芯片大多都 是可编程的大规模集成电路，完成相应的接口操作，如 定时器/计数器、中断控制器、并行接口等在PC/AT 微机中，这些接口芯片是由如 8259、 8237A 等芯片组成 但随着 PLD 技术的发展，目前 PC 机系统主板上的所有 I / O 接口功能已集成在一片或几片大规模集成电路芯片 中2） 扩展槽上的 I/O 接口控制卡这些接口控制 卡是由若干个集成电路按一定的逻辑功能组成的接口部 件，如多功能卡、图形卡等。
3.3.1 PC 机的 I/O 地址分配PC 系列 I/O 地址线有 16 根，对应 64K 空间； I/O端口译码只使用了 A0-A9，共1024个端口，地址范 围为 0000H~03FFH不同的微机系统对I/O端口地址的分配不同 初期：A9=0端口 （512个）为系统板所用，其他 端口（512个）为扩展槽所用系统板I/O接口芯片端口地址（OOOOH-OOFFH）: PC/AT ： A8=A9=0 端口（256 个）为系统板所用， 其他端口（768个）为扩展槽所用系统板上接口芯片的端口地址扩展槽I/O接口卡端口地址（0100H-03FFH）:】血接口名称PC/XTPC/ATDMA控制益1m- ODFH000 〜01FHDMA控冊器2OCZDFHDMA页面寄存耦080-083HD&^O9FH中断控制器1Q20-021H0J0-O3FH中断控制器2OAO-OBFH定时器&40-C43H040FFH井行接口芯片紙盘控制器O6O-06FHRT/CMO5 KAM0M5FHOAflH协处理辭OFXOFFH扩展槽上接口控制卡的端口地址— -"0接仃名称PC/XT 「pr/AT硬聂控斜卡320-3ZFH1FQ-]FFH游戏控制卡 !200-20FH200-20FH扩展輕接收器210-E1FH井行41控制喟137O-37FH370- 37FH井行口控制卡2护』〜汐FH' 27O-27FH串行口控犒卡1：^F&-3FFH3F8 〜3FFH串行口控81卡F2F0-2FFH?F0-2FFH原臺插件板（用户可用）300-31FH300-31FH同步通信卡13A0-3AFH3AO-3AFH同步通®P2330-38FH380-38FH单显DMA3BO-3BFH3B0-3BFH®fiCGA3D0〜3DFH3IM-3DFH欝显 EGj\/VGA3CL3CFH3CO-3CFH救鑿控制卡3FO~3F3H3FZF7H3.3.2I/O 端口地址译码电路的设计1. I/O 端口地址译码电路中地址线的分配参与 I/O 地址译码的。