第7章輸入輸出接口

第7章輸入輸出接口【本章重點(diǎn)】本章重點(diǎn)介紹輸入輸出接口的基本概念和輸入輸出接口的功能；著重討論不同外設(shè)數(shù)據(jù)傳送的不同方法及簡(jiǎn)單接口的應(yīng)用。

【本章難點(diǎn)】掌握無(wú)條件傳送和查詢傳送的工作原理，難點(diǎn)是接口芯片的應(yīng)用。7.1.1輸入/輸出接口

1.I/O接口的功能一個(gè)接口的基本功能是在系統(tǒng)總線和I/O設(shè)備之間傳輸信號(hào)，提供緩沖作用，以滿足接口兩邊的時(shí)序要求。尋址功能輸入輸出功能聯(lián)絡(luò)功能速度匹配功能數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換功能中斷管理功能可編程功能7.1微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出接口

2．外設(shè)接口的編址方式每個(gè)接口部件都含有一組寄存器，CPU與外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，各類信息在接口中進(jìn)入不同的寄存器，一般稱這些寄存器為I/O端口，每個(gè)端口都有一個(gè)端口地址。系統(tǒng)對(duì)各種寄存器的操作，實(shí)際上是通過尋址，對(duì)個(gè)端口地址的選擇和操作，因此外設(shè)接口（I/O端口）有兩種編址方式。（1）外設(shè)地址與內(nèi)存地址統(tǒng)一編址這種編址方式又稱為存儲(chǔ)器映射編址方式。在這種編址方式中，將外設(shè)接口地址和內(nèi)部存儲(chǔ)器地址統(tǒng)一安排在內(nèi)存的地址空間中。即把內(nèi)存地址分配給外設(shè)，由外設(shè)來占用這些地址。用于外設(shè)的這些地址，存儲(chǔ)器不能再使用。（2）外設(shè)與內(nèi)存獨(dú)立編址在這種編址方式中，內(nèi)存地址空間和外設(shè)地址空間是相互獨(dú)立的。例如，在8086CPU中，內(nèi)存地址是連續(xù)的1M字節(jié)，從00000H～FFFFFH，而外設(shè)的地址范圍從0000H～FFFFH。它們相互獨(dú)立，互不影響。7.1.2輸入/輸出的控制方式

概括起來，在微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，主要有如下4種傳送方式解決上述問題： ①無(wú)條件傳送 ②查詢傳送 ③中斷傳送 ④直接存貯器存取（DMA）方式

1.無(wú)條件傳送 在微機(jī)系統(tǒng)中,有一些簡(jiǎn)單外設(shè).當(dāng)它們工作時(shí),隨時(shí)都準(zhǔn)備好接收CPU的輸出數(shù)據(jù)或它們的數(shù)據(jù)隨時(shí)都是準(zhǔn)備好的，CPU什么時(shí)候讀均可以正確地讀到它們的數(shù)據(jù)。也就是說外設(shè)無(wú)條件準(zhǔn)備好向CPU提供數(shù)據(jù)或接收CPU送來的數(shù)據(jù)。在CPU與這樣的外設(shè)交換數(shù)據(jù)的過程中，數(shù)據(jù)交換與指令的執(zhí)行是同步的。因此也有人稱其為同步傳送。 無(wú)條件傳送方式是一種簡(jiǎn)單的輸入輸出方式，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(hào)變換緩慢，當(dāng)需要采集這些數(shù)據(jù)時(shí)，外設(shè)已經(jīng)將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒了，因此無(wú)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(shí)間相對(duì)于CPU的處理時(shí)間長(zhǎng)得多，故輸入端可直接用輸入緩沖器與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(shí)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(dòng)作相適應(yīng)的時(shí)間。

開關(guān)K看作一個(gè)簡(jiǎn)單的外設(shè)。K的狀態(tài)是確定的，要么閉合，要么打開。當(dāng)計(jì)算機(jī)通過外設(shè)接口讀K的狀態(tài)時(shí)，一定會(huì)讀到指令執(zhí)行時(shí)刻K的狀態(tài).

當(dāng)CPU讀接口地址FFF7H時(shí)，或門輸出為低電平。該電平使輸入接口三態(tài)門導(dǎo)通，則開關(guān)K的狀態(tài)就由數(shù)據(jù)線D0讀到CPU。判斷讀入數(shù)據(jù)D0=0時(shí)，K閉合；D0=1時(shí)，K打開。

【例7-1】圖中外設(shè)是簡(jiǎn)單的發(fā)光二極管.此外設(shè)的接口是用鎖存器來實(shí)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。

MOVAL，81H

MOVDX，0000H；送端口地址OUTDX，AL；點(diǎn)亮發(fā)光二極管 【例7-2】類似于例1中，讓接在Q0～Q7上的二極管自上而下輪流點(diǎn)亮3s，編寫程序?qū)崿F(xiàn)。

程序如下：

MOVAL,01H；使Q0為1，LED0先亮LOP:OUT0000H,AL；將信息送0000H端口

CALLDELAY3s；調(diào)用3S子程序

ROLAL,1；小循環(huán)左移1位

JMPLOP；循環(huán)點(diǎn)亮LED2．查詢方式 無(wú)條件傳送對(duì)于那些慢速的或總是準(zhǔn)備好的外設(shè)是適應(yīng)的。但是，許多外設(shè)并不總是準(zhǔn)備好的。CPU與這類外設(shè)交換數(shù)據(jù)可以采用程序查詢方式。 所謂查詢方式就是微型計(jì)算機(jī)利用程序不斷地詢問外部設(shè)備的狀態(tài)，根據(jù)它們所處的狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出。 為了實(shí)現(xiàn)這種工作方式，要求外部設(shè)備向微型計(jì)算機(jī)提供一個(gè)狀態(tài)信息。微型計(jì)算機(jī)校驗(yàn)外部設(shè)備所提供的狀態(tài)信息，即查詢外部設(shè)備，以便確定它的下一步操作。 圖7-3給出了查詢工作的示意圖。

CPU接口外設(shè)狀態(tài)數(shù)據(jù)控制圖7－3查詢工作方式示意圖（1）單一外設(shè)的查詢工作 最簡(jiǎn)單的情況是單一外設(shè)的情況。其采用查詢方式傳送數(shù)據(jù)的過程如下所述。如果CPU要從外設(shè)接收一個(gè)數(shù)據(jù)，則CPU首先查詢外設(shè)的狀態(tài)，看外設(shè)數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好，若沒有準(zhǔn)備好，則等待；若外設(shè)已將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，則CPU從外設(shè)讀取數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)后，CPU向外設(shè)發(fā)響應(yīng)信號(hào)，表示數(shù)據(jù)已被接收。外設(shè)收到響應(yīng)信號(hào)后，即開始下一個(gè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備工作。 若CPU需要向外設(shè)輸出一個(gè)數(shù)據(jù)，同樣，CPU首先查詢外設(shè)的狀態(tài)，看其是否空閑，若正忙，則等待；若外設(shè)準(zhǔn)備就緒，處于空閑狀態(tài)，則CPU向外設(shè)送出數(shù)據(jù)和輸出就緒信號(hào)。就緒信號(hào)用來通知外設(shè)；CPU送來有效數(shù)據(jù)。外設(shè)接收數(shù)據(jù)后，向CPU發(fā)出數(shù)據(jù)已收到的狀態(tài)信息。這樣，一個(gè)數(shù)據(jù)的輸出過程就告結(jié)束。

取外設(shè)狀態(tài)外設(shè)準(zhǔn)備就緒傳送數(shù)據(jù)傳送完否開始NYNY結(jié)束 【例7-3】如圖7-5所示，現(xiàn)欲將48000H為首地址的順序100個(gè)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(hào)=1時(shí)，可以接收CPU由鎖存器（74LS273）輸出的數(shù)據(jù)。=0時(shí)，表示外設(shè)處于忙狀態(tài)，不能接收數(shù)據(jù)。 程序如下：

START:MOVAX,4000H

MOVDS,AX

MOVSI,8000H

MOVCX,100GOON:MOVDX,00FFHWAIT:INAL,DX

ANDAL,01H

JZWAIT

MOVAL,[SI]

OUTDX,AL

INCSI

LOOPGOON

RET

圖7-5查詢工作方式的I/O接口(2)多個(gè)外設(shè)查詢工作方式 上面我們介紹了單個(gè)外設(shè)利用查詢方式的工作情況。當(dāng)系統(tǒng)中有多個(gè)外設(shè)時(shí)，查詢方式工作的流程成圖如圖7-6所示。 從圖可以看出，CPU逐個(gè)外設(shè)進(jìn)行查詢。若發(fā)現(xiàn)那個(gè)外設(shè)準(zhǔn)備就緒，就對(duì)該外設(shè)實(shí)施數(shù)據(jù)傳送。然后再對(duì)下一外設(shè)查詢，依次循環(huán)。從而可以實(shí)現(xiàn)，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)，再次查詢此外設(shè)時(shí)才能發(fā)現(xiàn)它處于就緒狀態(tài)，而后對(duì)此外設(shè)服務(wù)。這樣就不能對(duì)外設(shè)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，這對(duì)許多實(shí)時(shí)性要求較高的外設(shè)來說，就有可能丟失數(shù)據(jù)。1號(hào)外設(shè)準(zhǔn)備就緒？2號(hào)外設(shè)準(zhǔn)備就緒？3號(hào)外設(shè)準(zhǔn)備就緒？n號(hào)外設(shè)準(zhǔn)備就緒？對(duì)1號(hào)外設(shè)服務(wù)對(duì)2號(hào)外設(shè)服務(wù)對(duì)3號(hào)外設(shè)服務(wù)對(duì)n號(hào)外設(shè)服務(wù)NNNNYYYY§7.2簡(jiǎn)單接口

三態(tài)門接口芯片 根據(jù)前面內(nèi)容的介紹，大家已經(jīng)了解到主機(jī)與外設(shè)之間的連接必須通過接口芯片來完成信息的傳送，如：信息的放大、隔離以及鎖存。接口芯片的類型非常繁多，在此我們介紹幾種常用的簡(jiǎn)單的接口芯片。 一個(gè)典型的三態(tài)門接口芯片（74LS244）如圖7-7所示。其中，DO0～DO7為8個(gè)輸入端，IO0～I(xiàn)O7為8個(gè)輸出端，，是兩個(gè)控制端，低電平有效，當(dāng)控制端有效時(shí)，三態(tài)門導(dǎo)通；當(dāng)它們?yōu)楦唠娖綍r(shí)，相應(yīng)的三態(tài)門口呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。三態(tài)門只能作為輸入信號(hào)接口而不能作為輸出接口，這是因?yàn)?4LS244三態(tài)門本身沒有對(duì)信號(hào)的保持或鎖存能力。圖7-774LS244簡(jiǎn)單示意圖圖7-874LS374簡(jiǎn)單示意圖鎖存器接口芯片 前面提到的三態(tài)門器件，可以用作固定狀態(tài)的輸入接口。但是，由于它沒有保持（或稱鎖存）數(shù)據(jù)的能力，無(wú)法直接用它實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸出接口。最簡(jiǎn)單的輸出接口芯片74LS374，它是一種帶有三態(tài)輸出的鎖存器，其引線圖如圖7.8所示。其中D0～D7為8個(gè)輸入端，Q0～Q7為8個(gè)輸出端，為允許輸出信號(hào)，低電平有效，CP脈沖上升沿鎖存，與8086CPU連接時(shí)，一般接ALE引腳。只有當(dāng)=0時(shí)，74LS374的輸出三態(tài)門才導(dǎo)通。=1時(shí)，74LS374的輸出呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。由于74LS374是8位的帶有三態(tài)輸出的鎖存器，具有更大的使用靈活性，故它既可以作為輸入接口，又可以用作輸出接口。 以下我們舉例說明各接口的使用。

簡(jiǎn)單接口舉例1.已知8D鎖存器74LS374用作輸出接口，與CPU總線連接圖如圖7-9所示。試編制一個(gè)接口程序，使其在Q0輸出端產(chǎn)生一個(gè)周期和幅度均任意的方波，如圖所示。D0～D7D0～D7Q0CP74LS374AEN270H圖7-9方波輸出接口電路

MOVDX,270H；DX指向輸出端口MM:MOVAL,01H

OUTDX,AL；輸出方波的上升沿

CALLDELAY；延時(shí)

MOVAL,00H

OUTDX,AL；輸出方波的上升沿

CALLDELAY；延時(shí)

JMPMM；循環(huán)（2）接口電路 這段七段LED數(shù)碼管與微機(jī)系統(tǒng)總線有多種接口方式。此處介紹用74LS138作為譯碼器進(jìn)行選片，用74LS273作為輸出接口，用三態(tài)門作為按鈕K的輸出接口，其連接圖如圖7-11所示。 在圖7-11中，要使數(shù)碼管顯示某數(shù)字或符號(hào)，必須用軟件來產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)據(jù)。這是因?yàn)榻涌陔娐分袥]有硬件譯碼器。例如，要顯示數(shù)字3，則LED的a、b、c、d、g各段應(yīng)亮而e、f應(yīng)不亮。結(jié)合圖，則應(yīng)向74LS273寫數(shù)據(jù)4FH。為了方便，可在內(nèi)存中建立有關(guān)顯示的數(shù)字（或符號(hào)）與相對(duì)應(yīng)輸出數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)表。