第5章輸入輸出接口基礎1

1、黃玉清制作2022-4-195.1 5.1 輸入輸出概述輸入輸出概述5.4 5.4 輸入輸出的控制方式輸入輸出的控制方式黃玉清制作2022-4-19 通過對本章的學習，您應該能夠達到下列要求： 描述接口與CPU和外設的信號 說明接口中主要的端口的作用 輸入輸出端口的尋址方式 輸入輸出的控制方式黃玉清制作2022-4-19黃玉清制作2022-4-19RAMROMI/OI/O接口外設ABDBCBCPU黃玉清制作2022-4-19微機的外部設備多種多樣微機的外部設備多種多樣外部設備外部設備數(shù)據(jù)格式、工作速度差別很大數(shù)據(jù)格式、工作速度差別很大外設外設不能不能與與CPU直接直接相連，必須經(jīng)過中間電路再相

2、連，必須經(jīng)過中間電路再與系統(tǒng)相連，這部分電路被稱為與系統(tǒng)相連，這部分電路被稱為I/O接口接口電路。電路。接口在接口在CPUCPU與外與外設之間設之間黃玉清制作2022-4-19I/O接口接口是是CPU與與“外部世界外部世界”的中轉(zhuǎn)站，位于的中轉(zhuǎn)站，位于CPU與外設間與外設間,用來協(xié)助完成數(shù)據(jù)傳送和控制的用來協(xié)助完成數(shù)據(jù)傳送和控制的邏輯電路邏輯電路.I/O端口端口：是接口電路中：是接口電路中CPU能訪問的能訪問的寄存器寄存器。I/O操作操作：CPU對與設備相關(guān)對與設備相關(guān)I/O接口電路的操接口電路的操作作，不是訪問，不是訪問I/O設備。設備。黃玉清制作2022-4-19I/OI/O接口的主要功能

3、？接口的主要功能？數(shù)據(jù)緩沖數(shù)據(jù)緩沖: :對輸入輸出數(shù)據(jù)進行緩沖和鎖存對輸入輸出數(shù)據(jù)進行緩沖和鎖存控制命令鎖存控制命令鎖存: :對對CPUCPU的控制命令進行鎖存的控制命令進行鎖存外設信號變換外設信號變換: :對外設信號的形式和數(shù)據(jù)的對外設信號的形式和數(shù)據(jù)的格式進行變換格式進行變換端口尋址端口尋址: :I/OI/O端口進行尋址端口進行尋址聯(lián)絡聯(lián)絡: :對對CPUCPU和和I/OI/O設備進行聯(lián)絡設備進行聯(lián)絡黃玉清制作2022-4-19黃玉清制作2022-4-19數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)端口端口: :存放存放CPUCPU與外設之間傳送的數(shù)據(jù)信息。與外設之間傳送的數(shù)據(jù)信息。狀態(tài)狀態(tài)端口端口: :反映當前外設所處的工

4、作狀態(tài)。反映當前外設所處的工作狀態(tài)?？刂瓶刂贫丝诙丝? :CPU CPU 通過接口向外設傳送控制信息。通過接口向外設傳送控制信息。黃玉清制作2022-4-19并行通信并行通信串行通信串行通信計數(shù)器計數(shù)器/定時器定時器8253并行接口并行接口8255中斷控制器中斷控制器8259DMA控制器控制器8237串行接口串行接口8250/8251黃玉清制作2022-4-19黃玉清制作2022-4-19I/O端口端口是接口電路中是接口電路中CPU能訪問的能訪問的寄存器寄存器端口編址方式端口編址方式兩種方式兩種方式將存儲器與外設端口將存儲器與外設端口統(tǒng)一統(tǒng)一編址編址外設端口外設端口單獨單獨編址編址 黃玉清制作

5、2022-4-19將外設接口電路的一個端口作為存儲器將外設接口電路的一個端口作為存儲器的一個單元。的一個單元。優(yōu)點優(yōu)點：不需要專門的輸入輸出指令，不需要專門的輸入輸出指令， 可用全部的存儲器操作指令?？捎萌康拇鎯ζ鞑僮髦噶睢?（指令多且靈活）（指令多且靈活） 如：如：movmov kou1,bx kou1,bx 缺點缺點：外設占用內(nèi)存單元，外設占用內(nèi)存單元， 相對減少了內(nèi)存容量相對減少了內(nèi)存容量。65F302 0024E0內(nèi)存與外設內(nèi)存與外設內(nèi)存內(nèi)存外設外設026D黃玉清制作2022-4-19 優(yōu)點優(yōu)點：不占用內(nèi)存：不占用內(nèi)存 缺點缺點：CPU需設專門的需設專門的I/O指令。指令。65F30

6、2 00外設外設KOU1KOU2KOU3112233 44KOU100KOU101113232 01內(nèi)存內(nèi)存I/O 指令：指令：若端口地址在若端口地址在 0FFH 范圍內(nèi)范圍內(nèi),則用直則用直接尋址接尋址 。 如：如： IN AL, 20H OUT 80H, AX OUT 84H, AL 若端口地址在若端口地址在 0100FFFFH 范圍內(nèi)，范圍內(nèi)，則用則用DX間接尋址。間接尋址。 MOV DX, 300H IN AL, DX黃玉清制作2022-4-191. IBM PC/XT I/O 端口地址分配圖端口地址分配圖0000001F0020003F0040005F0060007F0080009F0

7、0A000BF008001FF32字節(jié)字節(jié)320字節(jié)字節(jié)32字節(jié)字節(jié)32字節(jié)字節(jié)32字節(jié)字節(jié)32字節(jié)字節(jié)32字節(jié)字節(jié)0000000F8237A5 DMA控制器控制器002000218259A 中斷控制器中斷控制器004000438253A5 定時定時/計數(shù)器計數(shù)器006000638255A5 并行接口芯片并行接口芯片00800083DMA 頁面寄存器頁面寄存器00A000BFNMI 屏蔽寄存器屏蔽寄存器黃玉清制作2022-4-1902000200020F游戲控制口游戲控制口02100217擴展部件擴展部件021802F7未用未用02F802FF異步通信卡（第二個）異步通信卡（第二個）03200

8、32F硬盤適配器硬盤適配器03300377并行打印機并行打印機未用未用0300031F實驗卡實驗卡0380038F039003AF03B003BF03C003CF03D003DF03E003EF03F003F703F803FF03FF0378037FSPLC通信通信未用未用單色顯示器單色顯示器 / 打印機打印機未用未用未用未用彩色彩色/ 圖形顯示卡圖形顯示卡軟盤適配器軟盤適配器異步通信卡（第一個）異步通信卡（第一個）黃玉清制作2022-4-19: :就是把地址信號與控制信號進行邏就是把地址信號與控制信號進行邏輯組合輯組合,產(chǎn)生對芯片的選擇信號產(chǎn)生對芯片的選擇信號. 例例: 用用BHE信號控制奇

9、偶地址信號控制奇偶地址 用用AEN信號控制非信號控制非DMA傳送傳送, AEN=1, CPU掌掌管總線管總線,可以進行可以進行I/O端口訪問端口訪問. 用用IOR和和IOW控制讀寫控制讀寫AEN是是DMA控制器控制器的地址鎖存輸出的地址鎖存輸出黃玉清制作2022-4-19問題：問題：8086CPU的的I/O地址最多可達多少？地址最多可達多少？由于用由于用DX間接尋址，間接尋址， I/O地址線可達地址線可達16條，條，I/O最大尋址空間最大尋址空間=216=64K實際在主板中一般只有實際在主板中一般只有10地址線尋址地址線尋址I/O空間?？臻g。黃玉清制作2022-4-19【例【例】：假設端口地址

10、為：假設端口地址為2F8H，譯碼電路如何設計？，譯碼電路如何設計？ A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 2 F 8書中的圖書中的圖黃玉清制作2022-4-19 若需要若需要多個端口地址多個端口地址,可以采用譯碼可以采用譯碼器：器：3-8譯碼器譯碼器4-16譯碼器譯碼器雙雙2-4譯碼器譯碼器黃玉清制作2022-4-19【例【例5-2】使用使用74LS138設計系統(tǒng)板上的設計系統(tǒng)板上的I/O地址地址,并且并且使每個接口芯片內(nèi)部可以有使每個接口芯片內(nèi)部可以有32個端口數(shù)目個端口數(shù)目.1)1)分析分析:系統(tǒng)板地址范圍系統(tǒng)板地址范圍:00F

11、FH,只使用低只使用低8位地址線位地址線. 留出低留出低5位地址線不參加譯碼位地址線不參加譯碼(25=32);黃玉清制作2022-4-19A B C 0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7輸輸 出出地址范圍地址范圍: 00001FH(8237A端口地址范圍）端口地址范圍） 02003FH(8259A端口地址范圍）端口地址范圍） 0E00FFHY0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5Y6 Y7A5A6 A7A8A9 AENIOWAB CG2BG2AG174LS138DMA CS（8237）INTR CS（8259）

12、T/C CS（8253）PPI CS（8255）WRTDMAPG（寫（寫DMA頁面寄存器）頁面寄存器）WRTNMIREG（寫（寫NMI屏蔽寄存器）屏蔽寄存器）1174LS32黃玉清制作2022-4-19程序傳送方式程序傳送方式 DMA方式方式問題：問題：8086CPU如何控制如何控制I/O設備的數(shù)據(jù)設備的數(shù)據(jù)傳輸？傳輸？黃玉清制作2022-4-19由程序（由程序（IN/OUTIN/OUT指令指令）控制）控制CPUCPU與外設之間進行與外設之間進行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)交換。外外設設接接口口CPUCPU內(nèi)內(nèi)部部寄寄存存器器黃玉清制作2022-4-19一、無條件傳送方式一、無條件傳送方式傳送過程：傳送過程

13、：外設已準備好，不查詢外設的狀態(tài)外設已準備好，不查詢外設的狀態(tài)輸入時，外設的數(shù)據(jù)已送到三態(tài)緩沖器。輸入時，外設的數(shù)據(jù)已送到三態(tài)緩沖器。輸出時，輸出時，CPUCPU的輸出信息已送到輸出鎖存器的輸出信息已送到輸出鎖存器的輸入端。的輸入端。軟件上只需用軟件上只需用輸入或輸出指令輸入或輸出指令用途：用于簡單外設用途：用于簡單外設開關(guān)開關(guān)LEDLED顯示器顯示器黃玉清制作2022-4-19選中地址選中地址數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)寫信號寫信號讀信號讀信號輸出端口輸出端口輸入端口輸入端口選通信號選通信號黃玉清制作2022-4-19【例【例】：輸入：輸入： MOV DX, 300H ;端口地址送端口地址送DX IN AL,

14、DX；300H端口的內(nèi)容輸入端口的內(nèi)容輸入AL。 IOR=0，AL=10H【例【例】：輸出：輸出： MOV DX, 300H ;端口地址送端口地址送DX OUT AL, DX；(AL)=10H 將將AL中的內(nèi)容送中的內(nèi)容送82H端口。端口。 IOW=0，（，（300H）=10H 黃玉清制作2022-4-19【例【例5-3】讀圖，輸入輸出口地址？讀圖，輸入輸出口地址？黃玉清制作2022-4-198位鎖存器位鎖存器74LS273單向三態(tài)緩沖器單向三態(tài)緩沖器74LS244黃玉清制作2022-4-19【例【例5-3】無條件傳送，】無條件傳送，如圖，開關(guān)閉合，對應發(fā)光二極如圖，開關(guān)閉合，對應發(fā)光二極管亮

15、。管亮。 AGAIN：MOV DX, 300H;DX指向數(shù)據(jù)端口指向數(shù)據(jù)端口 IN AL, DX ;從緩沖器讀入開關(guān)狀態(tài)從緩沖器讀入開關(guān)狀態(tài) NOT AL;求反（因為求反（因為74LS06是反向驅(qū)動是反向驅(qū)動） OUT DX, AL ;向鎖存器輸出開關(guān)狀態(tài)向鎖存器輸出開關(guān)狀態(tài)（顯示）（顯示） JMP AGAIN ;重復重復 黃玉清制作2022-4-19二、條件（查詢）傳送方式二、條件（查詢）傳送方式查詢式數(shù)據(jù)傳送過程查詢式數(shù)據(jù)傳送過程3個環(huán)節(jié)個環(huán)節(jié)：查詢狀態(tài)環(huán)節(jié)查詢狀態(tài)環(huán)節(jié)CPU尋址狀態(tài)口，讀取狀態(tài)字尋址狀態(tài)口，讀取狀態(tài)字檢測是否滿足檢測是否滿足“就緒就緒” 條件條件如果不滿足，回到第一步讀取

16、狀態(tài)字；如果不滿足，回到第一步讀取狀態(tài)字；數(shù)據(jù)傳送環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)傳送環(huán)節(jié)外設已處于外設已處于“就緒就緒”狀態(tài)，尋址數(shù)據(jù)口狀態(tài)，尋址數(shù)據(jù)口是輸入，通過輸入指令從數(shù)據(jù)端口讀入數(shù)據(jù)是輸入，通過輸入指令從數(shù)據(jù)端口讀入數(shù)據(jù)是輸出，通過輸出指令向數(shù)據(jù)端口輸出數(shù)據(jù)是輸出，通過輸出指令向數(shù)據(jù)端口輸出數(shù)據(jù)特點：工作可靠，適用面寬，但傳送效率低特點：工作可靠，適用面寬，但傳送效率低輸入狀態(tài)輸入狀態(tài)就緒？就緒？數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)交換YN流程流程黃玉清制作2022-4-19查詢式輸入接口電路查詢式輸入接口電路1）查詢式輸入）查詢式輸入外設準備好外設準備好數(shù)據(jù)，發(fā)選數(shù)據(jù)，發(fā)選通信號通信號CPU讀讀狀態(tài)，狀態(tài)，準備好？準備好？CPU

17、讀讀數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)黃玉清制作2022-4-19【例【例5-4】：設有某：設有某輸入接口輸入接口，狀態(tài)口地址，狀態(tài)口地址83H,數(shù)據(jù)口數(shù)據(jù)口地址地址80H,當狀態(tài)口的當狀態(tài)口的D7為為1時時,數(shù)據(jù)準備好。數(shù)據(jù)準備好。試編寫試編寫查尋式輸入一個數(shù)據(jù)的程序；查尋式輸入一個數(shù)據(jù)的程序；POLL： IN AL，83H TEST AL，80H ；檢查狀態(tài)位；檢查狀態(tài)位D7 JZ POLL ；D7=0,沒就緒，繼續(xù)查詢沒就緒，繼續(xù)查詢 IN AL，80H ；D7=1,就緒，從數(shù)據(jù)端口就緒，從數(shù)據(jù)端口 ；讀入數(shù)據(jù)；讀入數(shù)據(jù)D7 D6 D0READY狀態(tài)口狀態(tài)口黃玉清制作2022-4-192 2）查詢式輸出：）查詢式

18、輸出： CPUCPU查詢外設狀態(tài)是否忙查詢外設狀態(tài)是否忙, ,不忙不忙, ,執(zhí)行輸出執(zhí)行輸出; ;否則等待。否則等待。讀狀態(tài)讀狀態(tài),是否忙？是否忙？不忙，不忙，輸出數(shù)輸出數(shù)據(jù)據(jù)黃玉清制作2022-4-19【例【例5-5】：設有某設有某輸出接口輸出接口，狀態(tài)口地址，狀態(tài)口地址63H,數(shù)據(jù)口數(shù)據(jù)口地址地址60H,當狀態(tài)口的當狀態(tài)口的D0為為1時時,輸出忙輸出忙BUSY，D0為為0時，時，可以輸出數(shù)據(jù)。可以輸出數(shù)據(jù)。試編寫查尋式輸出試編寫查尋式輸出DAT單元一個數(shù)據(jù)單元一個數(shù)據(jù)的程序。的程序。查詢部分的程序：查詢部分的程序：POLL：IN AL，63H ；讀入狀態(tài)；讀入狀態(tài) TEST AL，01H

19、；檢查忙標志；檢查忙標志D0 JNZ POLL ；D0=1,未就緒，繼續(xù)查詢未就緒，繼續(xù)查詢 MOV AL，DAT ；D0=0,就緒就緒,數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)送AL OUT 60H，AL ；將數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)端口；將數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)端口 D7 D6 D0BUSY黃玉清制作2022-4-19 【例【例5-6】：設有某：設有某輸入接口輸入接口，狀態(tài)口地址，狀態(tài)口地址83H,數(shù)據(jù)口地址數(shù)據(jù)口地址80H,當狀態(tài)口的當狀態(tài)口的D7為為1時時,數(shù)據(jù)準備好。數(shù)據(jù)準備好。試用查尋式方式，試用查尋式方式，輸入輸入10個數(shù)據(jù)個數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)存在并將數(shù)據(jù)存在BUF開始的單元中的程序，編開始的單元中的程序，編寫主要程序段。寫主要程

20、序段。 BUF DB 10 DUP(?) MOV SI,0 MOV CX,10POLL: IN AL,83H TEST AL,80 ;檢查狀態(tài)位檢查狀態(tài)位READY JZ POLL IN AL,80H MOV BUFSI,AL ;存數(shù)據(jù)存數(shù)據(jù) INC SI LOOP POLL .黃玉清制作2022-4-19條件傳送方式的工作原理是怎樣的？主要用在條件傳送方式的工作原理是怎樣的？主要用在什么場合？什么場合？畫出條件傳送（查詢）方式輸出過程的流程圖。畫出條件傳送（查詢）方式輸出過程的流程圖。查詢式傳送方式有什么優(yōu)缺點？查詢式傳送方式有什么優(yōu)缺點？ 黃玉清制作2022-4-19中斷傳送方式的原理中斷

21、傳送方式的原理 啟動外設啟動外設 外設準備好數(shù)據(jù)外設準備好數(shù)據(jù),發(fā)一個選通信號發(fā)一個選通信號 外設向外設向CPU發(fā)中斷請求發(fā)中斷請求 CPU收到中斷請求信號，暫?，F(xiàn)行程序收到中斷請求信號，暫?，F(xiàn)行程序 CPU執(zhí)行中斷服務程序，執(zhí)行輸入輸出操執(zhí)行中斷服務程序，執(zhí)行輸入輸出操作作 中斷服務程序結(jié)束，返回原來程序中斷服務程序結(jié)束，返回原來程序 黃玉清制作2022-4-19外設準備好外設準備好數(shù)據(jù)，發(fā)中數(shù)據(jù)，發(fā)中斷申請斷申請傳送傳送數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)CPU響響應中斷應中斷中斷申中斷申請送請送CPU黃玉清制作2022-4-19中斷過程大致分為：中斷過程大致分為：中斷請求中斷請求：由需要提供中斷服務程序的設備提：由

22、需要提供中斷服務程序的設備提出；出；中斷響應中斷響應：CPUCPU給設備發(fā)出一個中斷應答信號；給設備發(fā)出一個中斷應答信號；現(xiàn)場保護現(xiàn)場保護：保護執(zhí)行中斷服務程序前的各種信：保護執(zhí)行中斷服務程序前的各種信息；息；執(zhí)行中斷服務程序執(zhí)行中斷服務程序：完成特定的操作；：完成特定的操作；退出中斷服務程序退出中斷服務程序：恢復現(xiàn)場。：恢復現(xiàn)場。黃玉清制作2022-4-19中斷傳送方式的特點中斷傳送方式的特點中斷傳送是一種中斷傳送是一種效率更高效率更高的程序傳送方式的程序傳送方式進行傳送的進行傳送的中斷服務程序中斷服務程序是是預先預先設計好的設計好的中斷請求是外設中斷請求是外設隨機隨機向向CPU提出的提出的

23、CPU對請求的對請求的檢測檢測是有規(guī)律的：一般是在每是有規(guī)律的：一般是在每條指令的最后一個時鐘周期采樣中斷請求輸條指令的最后一個時鐘周期采樣中斷請求輸入引腳入引腳黃玉清制作2022-4-191、查詢式傳送方式有什么優(yōu)缺點？中斷方式為什、查詢式傳送方式有什么優(yōu)缺點？中斷方式為什么能彌補查詢式傳送方式的缺點？么能彌補查詢式傳送方式的缺點？黃玉清制作2022-4-19 DMA特點是什么特點是什么? 具有接管和控制系統(tǒng)總線的功能，但在取得具有接管和控制系統(tǒng)總線的功能，但在取得總線控制權(quán)之前，與其它接口芯片一樣，受總線控制權(quán)之前，與其它接口芯片一樣，受CPU的控制。的控制。在在DMA方式，方式，DMA管

24、理總線，控制傳送數(shù)據(jù)管理總線，控制傳送數(shù)據(jù)的開始與結(jié)束，傳送的字節(jié)數(shù)，傳送的方向及的開始與結(jié)束，傳送的字節(jié)數(shù)，傳送的方向及地址。地址。黃玉清制作2022-4-19希望克服程序控制傳送的不足：希望克服程序控制傳送的不足：外設外設CPUCPU存儲器存儲器外設外設CPUCPU存儲器存儲器直接存儲器存取直接存儲器存取DMADMA方式方式用專用接口電路直接和存儲器進行數(shù)據(jù)傳送。用專用接口電路直接和存儲器進行數(shù)據(jù)傳送。 外設外設存儲器存儲器 外設外設存儲器存儲器黃玉清制作2022-4-191. 周期挪用周期挪用 CPU不訪問存儲器時的那些周期，用來進不訪問存儲器時的那些周期，用來進行行DMA操作。操作。2

25、 .周期擴展周期擴展 使用專門時鐘電路使用專門時鐘電路 需要需要DMA操作時，使操作時，使CPU的時鐘周期加的時鐘周期加寬，在加寬的時鐘周期進行寬，在加寬的時鐘周期進行DMA操作。操作。3 .CPU停機方式停機方式 最常見方式最常見方式黃玉清制作2022-4-19能接受外設的請求，并能向能接受外設的請求，并能向CPUCPU發(fā)發(fā)DMADMA請求信號；請求信號；CPUCPU接到接到DMADMA請求信號，如果允許，請求信號，如果允許，CPUCPU發(fā)發(fā)DMADMA響應信號，響應信號，DMADMA控制器接管總線，進入控制器接管總線，進入DMADMA方式；方式；能尋址存儲器，并修改地址；能尋址存儲器，并修

26、改地址；能向外設發(fā)讀能向外設發(fā)讀/ /寫信號；寫信號；能控制傳誦的字節(jié)數(shù)，判斷能控制傳誦的字節(jié)數(shù)，判斷DMADMA是否結(jié)束；是否結(jié)束；DMADMA結(jié)束時，能向結(jié)束時，能向CPUCPU發(fā)出結(jié)束信號，將總線控制權(quán)交還發(fā)出結(jié)束信號，將總線控制權(quán)交還CPUCPU；黃玉清制作2022-4-19HLDA發(fā)存儲器地址發(fā)存儲器地址傳送數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)傳送結(jié)束？傳送結(jié)束？DMA結(jié)束結(jié)束修改地址指針修改地址指針圖圖 DMA流程圖流程圖黃玉清制作2022-4-19外設發(fā)外設發(fā)DMA請請求求DMA響應響應DMA接接管總線管總線DMA直接傳直接傳送數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)黃玉清制作2022-4-19無條件傳送無條件傳送：慢速外設需與：慢速外設需與CPU保持同步保持同步查詢傳送查詢傳送： 簡單實用，效率較低，硬件開銷小簡單實用，效率較低，硬件開銷小中斷傳送中斷