第五章 輸入、輸出與接口技術(shù)

1、 第一節(jié)第一節(jié) i/o接口概述接口概述 第二節(jié)第二節(jié) i/o接口的基本功能接口的基本功能 第三節(jié)第三節(jié) CPU與與i/o接口的數(shù)據(jù)傳輸方式接口的數(shù)據(jù)傳輸方式 第四節(jié)第四節(jié) i/o端口地址譯碼技術(shù)端口地址譯碼技術(shù) 第五節(jié)第五節(jié) i/o端口地址分配端口地址分配 第六節(jié)第六節(jié) 接口硬件設(shè)計方法接口硬件設(shè)計方法 第五章 輸入/輸出與接口技術(shù) 5.1 i/o接口概述接口概述什么是輸入/輸出設(shè)備？ 計算機(jī)有各種用途，但不論用于何種場合，都離不開信息處理。所處理的信息，均要由輸入設(shè)備提供，而處理后的結(jié)果數(shù)據(jù)，則要送給輸出設(shè)備，以各種形式報告給用戶。例如，鍵盤、鼠標(biāo)器、磁盤和掃描儀等是大家熟悉的輸入設(shè)備，而磁

2、盤、CRT顯示器、打印機(jī)、X-Y繪圖儀等則是最常見的輸出設(shè)備。亦即能夠完成輸入/輸出操作的設(shè)備就叫輸入/輸出設(shè)備，簡稱外設(shè)或I/O設(shè)備。 輸入/輸出設(shè)備與CPU信息交換時有什么問題？ 外部設(shè)備種類繁多，從工作原理來講，可分為機(jī)械式、電動式、電子式和其它形式等幾類。它們對所傳輸?shù)男畔⒌囊笠哺鞑幌嗤?，這就給計算機(jī)和外設(shè)之間的信息交換帶來以下一些問題：(1)速度不匹配：CPU的速度很高，而外設(shè)的速度要低得多，而且不同的外設(shè)速度差異甚大，它們之中既有每秒鐘能傳送兆位數(shù)量級的硬磁盤，也有每秒鐘只能打印百位字符的串行打印機(jī)或速度更慢的鍵盤。(2)信號電平不匹配：CPU所使用的信號都是TTL電平，而外設(shè)大

3、多是復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備，往往不能用TTL電平所驅(qū)動，必須有自己的電源系統(tǒng)和信號電平。(3)信號格式不匹配：CPU系統(tǒng)總線上傳送的通常是8位、16位或32位的并行數(shù)據(jù)，而各種外設(shè)使用的信息格式各不相同。有些設(shè)備上用的是模擬量，而有些是數(shù)字量或開關(guān)量；有些設(shè)備上的信息是電流量，而有些卻是電壓量，有些設(shè)備采用串行方式傳送數(shù)據(jù)，而有些則用并行方式。(4)時序不匹配：各種外設(shè)都有自己的定時和控制邏輯，與計算機(jī)的CPU時序不一致。什么是輸入/輸出接口？ 因此，要實現(xiàn)外部設(shè)備與主機(jī)之間的連接(connection)和信息交換，必須經(jīng)過一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)脑O(shè)備。這種設(shè)備，我們叫做I/O接口(interface)。

4、5.2 i/o接口的基本功能接口的基本功能n為了使為了使CPU能適應(yīng)各種各樣的外設(shè)，就需能適應(yīng)各種各樣的外設(shè)，就需要在要在CPU與外設(shè)之間增加一個接口電路，與外設(shè)之間增加一個接口電路，由它完成相應(yīng)的信號轉(zhuǎn)換、速度匹配、數(shù)由它完成相應(yīng)的信號轉(zhuǎn)換、速度匹配、數(shù)據(jù)緩沖等功能，以實現(xiàn)據(jù)緩沖等功能，以實現(xiàn)CPU與外設(shè)的連接，與外設(shè)的連接，完成相應(yīng)的輸入輸出操作。完成相應(yīng)的輸入輸出操作。n一個接口的基本作用是在系統(tǒng)總線和一個接口的基本作用是在系統(tǒng)總線和I/O設(shè)設(shè)備之間架起一座橋梁，以實現(xiàn)備之間架起一座橋梁，以實現(xiàn)CPU與與I/O設(shè)設(shè)備之間的信息傳輸。備之間的信息傳輸。 5.2.1接口的功能：接口的功能：1

5、)尋址功能尋址功能識別是否是識別是否是I/O口的操作信號，識別是否為端口的片選信口的操作信號，識別是否為端口的片選信號，識別是芯片的哪個寄存器被訪問。號，識別是芯片的哪個寄存器被訪問。2) 輸入輸入/輸出功能輸出功能根據(jù)根據(jù)CPU通過控制總線送來的讀寫信號決定是輸入操作還通過控制總線送來的讀寫信號決定是輸入操作還是輸出操作。是輸出操作。3) 可編程功能可編程功能有些接口具有可編程特性，可以通過指令設(shè)定接口的工作有些接口具有可編程特性，可以通過指令設(shè)定接口的工作方式，工作參數(shù)，以滿足不同外設(shè)的要求。方式，工作參數(shù)，以滿足不同外設(shè)的要求。4) 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能當(dāng)外設(shè)提供的數(shù)據(jù)形式不是當(dāng)外設(shè)

6、提供的數(shù)據(jù)形式不是CPU能直接接受的形式時，則能直接接受的形式時，則通過接口轉(zhuǎn)換成通過接口轉(zhuǎn)換成CPU可接受的形式。如可接受的形式。如A/D，串串/并轉(zhuǎn)換等，并轉(zhuǎn)換等，反之也一樣。反之也一樣。5) 聯(lián)絡(luò)功能聯(lián)絡(luò)功能當(dāng)當(dāng)CPU要訪問外設(shè)時，首先要查詢外設(shè)狀態(tài)，能否接受訪要訪問外設(shè)時，首先要查詢外設(shè)狀態(tài)，能否接受訪問，接口應(yīng)將外設(shè)狀態(tài)準(zhǔn)備好，供問，接口應(yīng)將外設(shè)狀態(tài)準(zhǔn)備好，供CPU查詢；或向查詢；或向CPU發(fā)特定的信號通知外設(shè)已準(zhǔn)備好。發(fā)特定的信號通知外設(shè)已準(zhǔn)備好。6) 數(shù)據(jù)緩沖功能數(shù)據(jù)緩沖功能主機(jī)與外設(shè)速度相差很大，為了防止數(shù)據(jù)丟失，主機(jī)與外設(shè)速度相差很大，為了防止數(shù)據(jù)丟失，I/O接口接口均設(shè)有雙

7、向數(shù)據(jù)緩沖器。均設(shè)有雙向數(shù)據(jù)緩沖器。7) 中斷管理功能中斷管理功能有專門的中斷管理接口，能完成中斷判優(yōu)、中斷屏蔽，向有專門的中斷管理接口，能完成中斷判優(yōu)、中斷屏蔽，向CPU送入中斷類型碼等功能。送入中斷類型碼等功能。8) 錯誤檢測功能錯誤檢測功能多數(shù)可編程芯片都能自動檢測出傳輸過程中出現(xiàn)的錯誤。多數(shù)可編程芯片都能自動檢測出傳輸過程中出現(xiàn)的錯誤。1.傳輸錯誤，如串口中的奇偶校驗傳輸錯誤，如串口中的奇偶校驗2.覆蓋錯誤覆蓋錯誤9) 復(fù)位功能復(fù)位功能能接受主機(jī)的復(fù)位信號，使系統(tǒng)重新啟動。能接受主機(jī)的復(fù)位信號，使系統(tǒng)重新啟動。10) 時序控制功能時序控制功能接口電路具有自己的時鐘，以滿足外設(shè)在時序方面

8、的要求。接口電路具有自己的時鐘，以滿足外設(shè)在時序方面的要求。5.2.2接口的組成：接口的組成： 盡管不同功能的接口實際電路差別很大，但邏輯上都包括控制部件、狀態(tài)寄存器、數(shù)據(jù)寄存器與緩沖電路等,如下圖5.3 CPU與與i/o端口的數(shù)據(jù)傳輸方式端口的數(shù)據(jù)傳輸方式 在計算機(jī)的操作過程中，最基本的最大量的操作是數(shù)據(jù)傳送。在微機(jī)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)主要在CPU、存儲器和I/O接口之間傳送，在數(shù)據(jù)傳送過程中，關(guān)鍵問題是數(shù)據(jù)傳送的控制方式，微機(jī)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳送的控制方式主要有軟件傳送方式(程序控制方式)和硬件傳送方式(主要是DMA直接存儲器存取)方式。其中，程序控制方式又包括：無條件傳送方式、查詢傳送方式和中斷傳送

9、方式。無條件傳送方式 無條件傳送方式也稱為同步傳送方式，主要用于對簡單外設(shè)進(jìn)行操作，或者外設(shè)的定時是固定的或已知的場合。也就是說，這類外設(shè)在任何時刻均已準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)或處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，或者在某些固定時刻，它們處在數(shù)據(jù)就緒或準(zhǔn)備接收狀態(tài)，因此程序可以不必檢查外設(shè)的狀態(tài)，而在需要進(jìn)行輸入或輸出操作時，直接執(zhí)行輸入輸出指令。 無條件傳送方式一般用于控制CPU與低速接口之間的信息交換.例如開關(guān)、溫度、壓力流量等(A/D)轉(zhuǎn)換器。由于這些信號變換緩慢，當(dāng)需要采集這些數(shù)據(jù)時，外設(shè)已經(jīng)將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒了，因此無需檢查端口的狀態(tài)，就可以立即采集數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)保持時間相對于CPU的處理時間長得多，故輸入端可直接用輸

10、入緩沖器與CPU的數(shù)據(jù)總線相連。若外設(shè)是輸出設(shè)備，一般要求接口有鎖存能力，也就是CPU送給外設(shè)的數(shù)據(jù)應(yīng)該在接口中保持一段時間，其原因是外設(shè)的速度較慢，所以要求CPU送到接口的數(shù)據(jù)能保持到外設(shè)動作相適應(yīng)的時間。無條件傳送方式【例5-1】圖中外設(shè)是簡單的發(fā)光二極管。此外設(shè)的接口是用鎖存器來實現(xiàn)的。鎖存器在打入脈沖CP上升沿將輸入端D的數(shù)據(jù)鎖存在它的輸出Q端。編寫點(diǎn)亮二極管的程序。 （端口地址為0000H） MOVAL,81HMOVDX,0000H;送端口地址送端口地址OUTDX,AL ;點(diǎn)亮發(fā)光二極管點(diǎn)亮發(fā)光二極管無條件傳送方式【例6-2】類似于例6-1中，讓接在Q0Q7上的二極管自上而下輪流點(diǎn)亮

11、3s，編寫程序?qū)崿F(xiàn)。MOVAL,01H;使Q0為1，LED0先亮 MOV DX,0000HLOP:OUTDX,AL;將信息送0000H端口CALLDELAY;調(diào)用延時3S子程序ROLAL,1;小循環(huán)左移1位JMPLOP;循環(huán)點(diǎn)亮LED查詢傳送方式 查詢傳送方式 查詢傳送方式 查詢傳送方式 【例6-3】現(xiàn)欲將8000H為首地址的順序100個單元的數(shù)據(jù)，利用查詢方式輸出到外設(shè)。外設(shè)經(jīng)輸入輸出接口與8086的系統(tǒng)總線連接。CPU通過三態(tài)接口(74LS244)可以查詢外設(shè)的狀態(tài)，而且當(dāng)外設(shè)狀態(tài)信號=1時，可以接收CPU由鎖存器(74LS273)輸出的數(shù)據(jù)。=0時，表示外設(shè)處于忙狀態(tài)，不能接收數(shù)據(jù)。（兩

12、個端口地址都是00FFH） 查詢傳送方式START: MOVAX,4000HMOVDS,AXMOVSI,8000HMOVCX,100GOON:MOVDX,00FFHWAIT:INAL,DXANDAL,01HJZWAITMOVAL,SIOUTDX,ALINCSILOOPGOONRET 查詢傳送方式當(dāng)系統(tǒng)中有多個外設(shè)時查詢方式如何工作？ 由圖可見，CPU逐個外設(shè)進(jìn)行查詢。若發(fā)現(xiàn)那個外設(shè)準(zhǔn)備就緒，就對該外設(shè)實施數(shù)據(jù)傳送。然后再對下一外設(shè)查詢，依次循環(huán)。結(jié)果，在查詢過程中，CPU不能做別的事情，這就大大降低了CPU的效率。而且，假如某一外設(shè)剛好在查詢過后處于就緒狀態(tài)，那么它必須等到CPU查詢完所有外設(shè)

13、，再次查詢此外設(shè)時才能發(fā)現(xiàn)它處于就緒狀態(tài)，而后對此外設(shè)服務(wù)。這樣就不能對外設(shè)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)交換，這對許多實時性要求較高的外設(shè)來說，就有可能丟失數(shù)據(jù)。查詢傳送方式n優(yōu)點(diǎn)：接口電路和程序設(shè)計都較為簡單，容易實現(xiàn)。n缺點(diǎn)：CPU外設(shè)不能并行工作，CPU的效率低，外設(shè)得不到及時響應(yīng)。n適用場合：這種傳送方式適用于一般工作速度較慢的外設(shè)，特別是外設(shè)數(shù)量不多，實時性要求不高的場合。 中斷傳送方式 中斷傳送方式會在每次外設(shè)準(zhǔn)備好或空閑時，主動向CPU發(fā)出中斷請求，以示要傳送數(shù)據(jù)，CPU響應(yīng)該請求后，執(zhí)行中斷服務(wù)程序，實現(xiàn)與外設(shè)的數(shù)據(jù)傳送。其工作過程簡述如下： 暫停主程序，實現(xiàn)程序的轉(zhuǎn)移，即中斷響應(yīng)； 保護(hù)和恢

14、復(fù)有關(guān)寄存器的內(nèi)容； 執(zhí)行I/O操作，并實現(xiàn)內(nèi)存累加器端口之間的傳送； 實現(xiàn)中斷返回。 中斷傳送方式 CPU數(shù)據(jù)緩沖器數(shù)據(jù)鎖存器輸入設(shè)備D70D70D70地址譯碼電路地址線INTRCPU數(shù)據(jù)鎖存器輸出設(shè)備D70D70地址譯碼電路地址線中斷輸出方式中斷輸入方式準(zhǔn)備好準(zhǔn)備好中斷傳送方式n優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)的工作效率高，CPU、I/O設(shè)備可以并行工作，外設(shè)可以主動向CPU請求，能夠得到CPU的及時響應(yīng)。n缺點(diǎn)：每次傳送數(shù)據(jù)，CPU都要做許多額外的工作，傳送速度仍然不是很快。n適用場合：這種方式適用于一般工作速度不是很快的外設(shè)，特別是實時控制、檢測場合。 DMA(Direct Memory Access)控制

15、方式 中斷控制的I/O雖然克服了查詢方式I/O的缺點(diǎn)，能夠快速響應(yīng)I/O傳送的請求，但是I/O設(shè)備的服務(wù)仍然是由軟件實現(xiàn)，為完成一個字節(jié)(字)的數(shù)據(jù)傳送，CPU必須執(zhí)行很多額外的工作。當(dāng)要求快速進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的場合，執(zhí)行上述過程已無法滿足系統(tǒng)實時性的要求。這時可以采用直接存儲器存取，由DMA控制器實現(xiàn)外設(shè)存儲器間的直接傳送。 采用DMA方式傳送數(shù)據(jù)時，需要一塊專門的硬件電路(通常叫DMA控制器)對整個數(shù)據(jù)傳送過程進(jìn)行管理。這種控制器能給出訪問內(nèi)存所需要的地址信息，并能自動修改地址指針，也能設(shè)定和修改傳送的字節(jié)數(shù)，還能向存儲器和外設(shè)發(fā)出相應(yīng)的讀/寫控制信號。在DMA傳送結(jié)束后，它能釋放總線，把對總

16、線的控制權(quán)又交還給CPU。因此采用DMA方式傳輸數(shù)據(jù)時，不需要進(jìn)行保護(hù)和恢復(fù)斷點(diǎn)及現(xiàn)場之類的額外操作，一旦進(jìn)入DMA操作，就可直接在硬件的控制下快速完成一批數(shù)據(jù)的交換任務(wù)，數(shù)據(jù)傳送的速度基本上取決于外設(shè)和存儲器的存取速度。DMA(Direct Memory Access)控制方式 5.4 i/o端口地址譯碼技術(shù)端口地址譯碼技術(shù) I/O接口與接口與I/O端口之間的端口之間的關(guān)系關(guān)系：I/O端口（端口（I/O口）口）：是指：是指I/O接口中帶有端口地址的寄存接口中帶有端口地址的寄存器或緩沖器器或緩沖器I/O接口接口：是指：是指CPU和和外設(shè)間的外設(shè)間的I/O接口芯片接口芯片二者之間關(guān)系二者之間關(guān)系

17、： CPU通過端口地址對端口中信息進(jìn)行讀寫，但不通過端口地址對端口中信息進(jìn)行讀寫，但不能直接通過接口讀寫信息，需要借助于接口中的端口能直接通過接口讀寫信息，需要借助于接口中的端口地址地址 一個外設(shè)通常需要一個一個外設(shè)通常需要一個I/O接口，但一個接口，但一個I/O接口可接口可以有多個以有多個I/O端口端口二、I/O端口的編址方式 統(tǒng)一編址：統(tǒng)一編址：I/O地址占用存儲器的地址空間，訪問M的指令 都能訪問I/O，不需專用的I/O操作指令。 FFFFFH00000H0FFFFH10000HI/O接口片選信號產(chǎn)生電路I/O片選A15-A0存儲器片選信號產(chǎn)生電路存儲器片選A19-A0A16=1獨(dú)立編址獨(dú)立編址 ：I/O地址獨(dú)立，不占用M的