微機原理IO接口

1、1第六章6.1 輸入/輸出（I/O）接口 6.1.1 I/O接口的功能 6.1.2 簡單的輸入輸出芯片 6.1.3 I/O端口及其編址方式 6.1.4 I/O端口地址譯碼 6.1.5 CPU與外設間的數據傳送方式6.2 總線（自學）第六章 I/O接口和總線2第六章1、兩個術語u 外設：（即I/O設備）計算機是一種信息處理工具，需要輸入設備送入信息，輸出設備送出結果，這些輸入輸出設備被稱為外設。 u 通信：計算機（CPU）與外設間的數據、狀態(tài)和控制命令的交換過程統(tǒng)稱為通信。6.1 輸入/輸出（I/O）接口6.1.1 I/O接口的功能3第六章2、CPU與外設直接通信存在的問題 速度不匹配（CPU快

2、，外設慢） 信號電平不匹配（CPU使用TTL電平，外設多為機電設備） 信號格式不匹配（CPU總線上為并行數字量，而外設有串行模擬量等） 時序不匹配解決方案： 用I/O接口：把外設連接到CPU總線上的一組邏輯電路的總稱。用于協(xié)調外設與CPU之間的信息交換。4第六章3、I/O接口的功能u設置數據的緩沖與暫存 （采用緩沖器、鎖存器緩解外設與CPU速度的差異）u設置信號電平轉換電路 （采用MC1488、MAX232等芯片）u設置格式轉換電路（采用A/D、D/A等芯片）u提供I/O地址譯碼與設備選擇u對外設進行監(jiān)測、控制與管理，中斷處理5第六章 “ 輸出要鎖存，輸入要緩沖 ”uCPU的運行速度比較快，輸

3、出數據通常要經過鎖存才能被外設讀取；u外設的數據線通過緩沖器與CPU的數據線相連接，從而保證CPU在讀取一個外設數據時不會因其它外設的存在而出錯。4、I/O接口設計的基本原則6第六章 常用的輸入輸出接口芯片u緩沖器：74LS244（單向） 74LS245（雙向）u鎖存器：74LS3736.1.2 簡單的輸入輸出芯片7第六章1、緩沖器 74LS244u單路基本組成：ABGG#AB01100 01高阻狀態(tài)真值表8第六章1234567891020191817161514131211 244/1G1A12Y41A22Y31A32Y21A42Y1GNDVcc/2G1Y12A41Y22A31Y32A21Y

4、42A11A11A21A31A42A12A22A32A41Y11Y21Y31Y42Y12Y22Y32Y41G2G圖6-1 74LS244邏輯功能和引腳圖9第六章1234567891020191817161514131211 245DIRA1A2A3A4A5A6A7A8GNDVcc/GB1B2B3B4B5B6B7B8A1A2A3A4A5A6A7A8B1B2B3B4B5B6B7B8DIRG圖6-2 74LS245邏輯功能和引腳圖10第六章u緩沖器作用實例 CPUD0電路1電路2+5VG CPUD0比較：電路1中CPU數據線始終被K狀態(tài)占用；電路2中CPU數據線的狀態(tài)可以由G端控制；實現緩沖的作用K

5、+5VK11第六章2、鎖存器 74LS373（帶緩沖的鎖存器）u單路基本組成：D觸發(fā)器DQQ C2）兩種觸發(fā)方式：電平觸發(fā)：一種電平時，Q端跟隨D端變化； 另一種電平時，Q端鎖存D端狀態(tài)。邊沿觸發(fā)：有效沿時，Q端立即跟隨并鎖存D端狀態(tài)； 其他時間，Q端與D端狀態(tài)無關。1）D觸發(fā)器作用： 當C端滿足一定條件時，D端狀態(tài)（0或1）鎖存至Q端12第六章DQQ G3）邏輯符號邊沿觸發(fā)：電平觸發(fā)：DQQCKDQQ GDQQCK跟隨跟隨鎖存鎖存跟隨并鎖存跟隨并鎖存13第六章74LS37374LS374雙列式封裝連接圖14第六章74LS373 內部結構和真值表15第六章u鎖存器作用實例 CPUD0電路1電路

6、2 CPUD0比較：電路1中LED瞬間即滅；電路2中CPU數據由鎖存器暫存，LED會一直亮，直到CPU送下個數據+5VG+5V鎖存器鎖存器假設從D0送出一低電平，即“0”16第六章1、I/O端口 CPU與外設傳送信息的種類（以打印機為例） (1)數據信息（如：要打印的內容，CPU送至外設）(2)狀態(tài)信息（如：打印機是否空閑，外設送至CPU）(3)控制信息（如：設置打印方式、開始打印等，CPU送至外設）6.1.3 I/O端口及其尋址方式17第六章 I/O端口的概念 數據信息、狀態(tài)信息和控制信息均存放在寄存器中，這些用來存儲信息的寄存器以及它們的控制邏輯稱為I/O端口。 I/O端口的種類數據端口狀

7、態(tài)端口控制端口（命令端口）18第六章u接口與端口的區(qū)別 若干個端口加上相應的控制電路構成接口。CPU外設外設數據端口數據端口狀態(tài)狀態(tài)端口端口控制控制端端口口CBABDB狀態(tài)信息狀態(tài)信息控制信息控制信息I/O接口接口數據信息數據信息端口與接口圖示19第六章 端口地址 不同外設具有的端口數各不相同，計算機中為每個端口都賦予一個惟一編號，也稱為端口號。 端口的兩種編址方式(1)存儲器映像尋址（也稱：統(tǒng)一編址）(2)I/O單獨編址方式（也稱：獨立編址）2、I/O端口的編址方式20第六章 (1)存儲器映像尋址 把外設端口與內存統(tǒng)一進行編址，每個端口看成一個內存單元，占用一個地址，訪問外設端口可以看成訪問

8、存儲單元。 優(yōu)點： 指令統(tǒng)一，靈活，任何訪問存儲器的指令都可訪問I/O MOV AL，PORT ;輸入 MOV PORT，AL ;輸出 內存和外設地址分布統(tǒng)一，便于管理21第六章 缺點：外設占用存儲器空間地址，內存可用地址空間減小。無法區(qū)分當前訪問的是存儲器還是I/O端口。00000地址空間地址空間(共共1MB)內存地址內存地址(960KB)I/O地址地址(64KB)FFFFFHEFFFFHF0000H22第六章(2)I/O單獨編址方式 系統(tǒng)單獨對I/O空間進行編址，不占用存儲器的空間。用專門的IN和OUT指令來訪問這種端口。內存單元00000HFFFFFH端口0000HFFFFH內存地址(1

9、MB)A0 A19端口地址(64kB)A0 A1523第六章 優(yōu)點：u指令區(qū)分，使程序清晰，可讀性好；u而且I/O指令長度短，執(zhí)行的速度快；uI/O地址譯碼電路較簡單。 缺點：uCPU指令系統(tǒng)中必須專設IN和OUT指令；uIN和OUT指令功能較弱；uCPU要能提供區(qū)分存儲器讀/寫和I/O讀/寫的控制信號，例如：8086的M/IO#和8088的IO/M#信號。 I/O單獨編址24第六章(3)8086CPU的I/O編址方式 采用I/O獨立編址方式(但地址線與存儲器共用) 地址線上的地址信號用M/IO#來區(qū)分：M/IO# =0 時選中I/O端口,M/IO# =1 時選中存儲單元 I/O操作只使用20

10、根地址線中的16根：A15A0，可尋址的I/O端口數為64K(65536)個，地址范圍為0000HFFFFH25第六章 讀寫過程OUT指令使數據線、相應的地址線及M/IO#和WR#有效。IN指令使數據線、相應的地址線及M/IO# 和RD#有效。 參加譯碼的信號 M/IO#、RD#、WR#、A15A06.1.4 I/O端口地址譯碼以8086CPU為例26第六章 1、譯碼的一般原則u當接口只有一個端口時，16位地址線一般應全部參與譯碼，譯碼輸出直接選擇該端口；u當接口具有多個端口時，則16位地址線的高位參與譯碼（決定接口的基地址），而低位則用于確定要訪問哪一個端口。例：某外設接口有4個端口，地址為

11、2F0H2F3H，則其基地址為2F0H，由A15A2譯碼得到，而A1、A0用來確定4個端口中的某一個。27第六章2、譯碼的常用方法u線選法 利用一根地址線，產生指定的端口地址的選擇信號。當A7=1,選中PORT1，地址可為80H當A6=1,選中PORT2，地址可為40H當A5=1,選中PORT3，地址可為20H對于PORT1，地址為81H，82H，83H等仍可選中。 這種譯碼方式地址有重疊。PORT1A7PORT2A6PORT3A528第六章 采用門電路進行地址譯碼 利用基本邏輯門電路，產生端口地址選擇信號。例：如果設計一個I/O端口，該端口地址為3E7H，要求低電平有效。 如果采用門電路完成

12、譯碼，地址分配如下： A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1A0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 129第六章1&A15A14A13A12A11A10A4A3A9A8A7A6A5A2A1A0CS注意：本地址的形成方法不是唯一的，可用不同的門電路組合而成，但地址輸出片選信號的結果是唯一的。譯碼電路圖30第六章 采用譯碼器與門電路組合例：譯碼電路如下：1&A13A12A7A6A15A14A5A4A3M/IO#G2A#G2B#G1CBAY0#Y1#Y2#Y3#Y4#Y5#Y6#Y7#31第六章續(xù)

13、：這種譯碼電路可用Y0#Y7#作為某個接口電路的基地址，再用A2A1A0選中接口中某個端口，這種譯碼電路中一個接口最多可設置8個端口。試分析Y0#、Y1#.Y7#輸出的地址范圍分別為多少？ Y0：C000HC007H； Y1：C008HC00FH； Y7：C038HC03FH； 32第六章 在微型機系統(tǒng)中，可采用的輸入輸出方式主要有： 程序控制方式（掌握）無條件傳送方式 條件傳送（也稱查詢方式） 中斷方式（了解） DMA方式（了解）前兩種方式主要由軟件實現，DMA主要由硬件實現。6.1.5 CPU與外設間的數據傳送方式33第六章 CPU直接與外設傳送數據，認為外設已經準備就緒，不需要了解外設狀

14、態(tài)。應用場合:外設簡單,時刻處于準備好輸入輸出狀態(tài), CPU可隨時輸入/輸出數據；或者是CPU固定時間間隔進行輸入輸出。1、無條件傳送方式程序控制方式之一34第六章無條件輸入電路例子例：將幾個按鍵開關的狀態(tài)輸入CPU。硬件連接示意圖如右所示。分析電路組成、數據傳送過程，并根據要求編寫完整匯編源程序。開開關關+5V1Y11Y2 74LS2441A11A22Y42A4/1G/2GD0D1D7CSRDM/IO思考：假設該端口號為80H，每隔1S將這個端口的各個狀態(tài)讀入到BUF數組中，共讀10次，怎樣編寫程序？35第六章參考程序：DATA SEGMENT BUF DB 10 DUP(?)DATA EN

15、DSCODE SEGMENT ASSUME CS:CODE,DS:DATASTART: MOV AX,DATA MOV DS,AX LEA BX,BUF MOV CX,10L1: CALL DELAY1S IN AL,80HMOV BX,ALINC BXLOOP L1MOV AH,4CHINT 21HDELAY1S PROC NEAR RETDELAY1S ENDPCODE ENDS END START 分析：指令操作I/O接口的過程36第六章關鍵程序片斷：MOV AL，55HOUT 80H，AL無條件輸出電路例子LED1D2D 74LS2731Q2Q8D8QCKD0D1D7CSWRM/IO0

16、#. . .7#分析：指令操作I/O接口的過程例：硬件連接示意圖如右所示。分析電路組成及數據傳送過程。假設該端口地址為80H，要想讓0、2、4、6號燈亮，如何編寫程序？37第六章2、條件傳送（查詢式傳送）u在與外設進行數據傳送前，CPU先查詢外設狀態(tài)，當外設準備好后，才執(zhí)行I/O指令，實現數據傳送。輸入時：狀態(tài)指示要輸入的數據是否已經準備就緒；輸出時：狀態(tài)指示輸出設備是否空閑。u特點：CPU通過不斷查詢外設狀態(tài)，實現與外設的速度匹配；CPU的工作效率低；程序控制方式之二38第六章例: 查詢式輸入接口電路A15A0/RD(讀狀態(tài)讀狀態(tài))/CS1Ready12輸入輸入設備設備數數 據據鎖存器鎖存器

17、(8位位)I/O譯碼譯碼數數 據據緩沖器緩沖器(8位位)DCRQ+5V選通信號選通信號D觸發(fā)器觸發(fā)器/CS2/RD(讀數據讀數據)M/IOD7D0圖圖6-6 查詢方式輸入接口電路查詢方式輸入接口電路D0STB(1)組成(2)查詢(3)取數據39第六章查詢方式輸入動畫演示40第六章工作原理： 當輸入設備的數據準備好后，發(fā)出一個選通信號，一邊把數據鎖存在鎖存器中，一邊使D觸發(fā)器置 1，給出Ready信號（即：準備好時，Ready=1,則D0=1）。 數據、狀態(tài)必須通過不同的端口送給CPU。當CPU要由外設輸入信息時，先輸入狀態(tài)信息，檢查數據是否已經準備好。若準備好，則通過數據端口輸入數據。軟件流程

18、：讀狀態(tài)讀狀態(tài) 準備好？準備好？ 讀入數據讀入數據YN41第六章程序片斷：設狀態(tài)口地址為：PORTS，數據口地址為：PORTD，則輸入一次數據的程序為： WAIT: IN AL,PORTS TEST AL,01H JZ WAIT IN AL,PORTD 思考：若Ready信號線連接在D7或者其他位上，如何編程？ WAIT: IN AL,PORTS TEST AL,80H JZ WAIT IN AL,PORTD 42第六章例: 查詢式輸出接口電路圖圖6-8 查詢方式輸出接口電路查詢方式輸出接口電路/RD(讀狀態(tài)讀狀態(tài))/CS112輸出輸出設備設備數數 據據鎖存器鎖存器(8位位)CDRQ+5VD觸

19、發(fā)器觸發(fā)器/CS2/WR(寫數據寫數據)A15A0I/O譯碼譯碼M/IOD7D0/ACKD1(數據總線數據總線)選通選通信號信號BUSY(1)組成(2)查詢(3)送數據43第六章查詢方式輸出動畫演示44第六章工作原理： 當輸出設備把CPU上一個數據處理完后，發(fā)出ACK信號，使D觸發(fā)器清零，即：使Busy為0，表示外設空閑。 當CPU輸入此信息后，就向外設輸出數據，將數據鎖存在外部鎖存器中，同時一方面通過D觸發(fā)器告訴外設取數，另一方面作為“忙”信號，阻止CPU輸出新數據。45第六章問題：設狀態(tài)口地址：80H；數據口地址為：82H；利用查詢式輸出方式，將內存BUF開始的20個字節(jié)數據輸出到外設中，試編寫程序。軟件流程：讀狀態(tài)讀狀態(tài) 忙？忙？ 輸出數據輸出數據NY46第六章DATA SEGMENT BUF DB 20 DUP(?)DATA ENDSCODE SEGMENT ASSUME CS:CODE,DS:DATASTART: MOV AX,DATA MOV DS,AX LEA BX,BUF MOV CX,20WAIT: IN AL,80H TEST AL,02H JNZ WAIT MOV AL,BX OUT 82H,AL INC BX LOOP WAIT MOV AH,4CH INT 21HCODE ENDS