微機(jī)原理與接口技術(shù)(第3版)彭虎第6章微型計(jì)算機(jī)的輸入輸出

“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材微機(jī)原理與接口技術(shù)

（第3版）第6章微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出本章主要內(nèi)容2半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類(lèi)1CPU與外設(shè)通信的特點(diǎn)1CPU與外設(shè)通信的接口3輸入/輸出方式8086CPU的輸入/輸出4概述組成一個(gè)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，除了前面所述的CPU、存貯器之外，還需有外部設(shè)備。例如，單片機(jī)常用的外部設(shè)備有：顯示器、鍵盤(pán)，指示燈、微型打印機(jī)等。計(jì)算機(jī)與I/O設(shè)備之間要交換信息。計(jì)算機(jī)的CPU與外設(shè)，并不直接相連，而是通過(guò)接口電路進(jìn)行連接。概述為什么需要I/O接口（電路）？微機(jī)的外部設(shè)備多種多樣工作原理、驅(qū)動(dòng)方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差別很大它們不能與CPU直接相連必須經(jīng)過(guò)中間電路再與系統(tǒng)相連這部分電路被稱(chēng)為I/O接口電路概述6微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出一、CPU與外設(shè)通信具有如下特點(diǎn)：需要有接口作為CPU與外設(shè)通訊的橋梁；速度信號(hào)種類(lèi)：模擬、數(shù)字；并行、串行邏輯電平需要有數(shù)據(jù)信息傳送之前的“聯(lián)絡(luò)”；要傳遞的信息有三方面內(nèi)容：狀態(tài)、數(shù)據(jù)及控制信息。6.1

CPU與外設(shè)通信的特點(diǎn)6微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出接口電路通常包含一組能夠與處理器交換信息的寄存器或緩沖器，稱(chēng)為I/O端口。數(shù)據(jù)端口：

存放數(shù)據(jù)信息狀態(tài)端口：

存放狀態(tài)信息，即反映外設(shè)當(dāng)前工作狀態(tài)的信息控制端口：存放控制信息6微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出二、接口具有以下幾個(gè)功能：進(jìn)行地址譯碼或設(shè)備選擇，以便使CPU能與某一指定的外部設(shè)備通訊；狀態(tài)信息的應(yīng)答，以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳送之前的準(zhǔn)備工作；進(jìn)行中斷管理，提供中斷信號(hào)；6.1

CPU與外設(shè)通信的特點(diǎn)6微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出二、接口具有以下幾個(gè)功能：進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，如正負(fù)邏輯的轉(zhuǎn)換，串行與并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等；進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，如TTL電平與MOS電平間的轉(zhuǎn)換；協(xié)調(diào)速度，采用鎖存、緩沖、驅(qū)動(dòng)等；輸出接口有鎖存環(huán)節(jié)輸入接口有緩沖環(huán)節(jié)時(shí)序控制，提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘信號(hào)。6.1

CPU與外設(shè)通信的特點(diǎn)6微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出6.1.1

I/O端口的尋址方式存儲(chǔ)器映像的I/O尋址I/O映像的I/O尋址6微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出6.1.1

I/O端口的尋址方式1.存儲(chǔ)器映像的I/O尋址存儲(chǔ)單元和I/O端口的地址統(tǒng)一編址。把一個(gè)外設(shè)端口作為存儲(chǔ)器的一個(gè)單元來(lái)對(duì)待，故每一個(gè)外設(shè)端口占有存儲(chǔ)器的一個(gè)地址。從外部設(shè)備輸入一個(gè)數(shù)據(jù)，作為一次存儲(chǔ)器讀的操作；而向外部設(shè)備輸出一個(gè)數(shù)據(jù)，則作為一次存儲(chǔ)器寫(xiě)的操作。內(nèi)存部分I/O部分存儲(chǔ)空間0FFFFF6微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出存儲(chǔ)器映像的I/O尋址6微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出優(yōu)點(diǎn)：CPU對(duì)外設(shè)的操作可使用全部的存儲(chǔ)器操作指令，故指令多，使用方便。如可以對(duì)外設(shè)中的數(shù)據(jù)（存于外設(shè)的寄存器中）進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算，進(jìn)行循環(huán)或移位等。內(nèi)存和外設(shè)的地址分布圖是同一個(gè)。不需要專(zhuān)門(mén)的輸入輸出指令以及區(qū)分是存儲(chǔ)器還是I/O操作的控制信號(hào)。缺點(diǎn)：外設(shè)占用了內(nèi)存單元，使內(nèi)存容量減小。1.存儲(chǔ)器映像的I/O尋址6微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出6.1.1

I/O端口的尋址方式2.I/O映像的I/O尋址I/O端口地址與存儲(chǔ)單元地址分開(kāi)編址。CPU有專(zhuān)門(mén)的I/O指令，用地址來(lái)區(qū)分不同的外設(shè)。但要注意實(shí)際上是以端口（Port）作為地址單元，因?yàn)橐粋€(gè)外設(shè)不僅有數(shù)據(jù)寄存器還有狀態(tài)寄存器和控制命令寄存器，它們各需要一個(gè)端口才能加以區(qū)分，故一個(gè)外設(shè)往往需要數(shù)個(gè)端口地址。存儲(chǔ)單元I/O端口FFFFF0FFFF06微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出I/O映像的I/O尋址6微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出優(yōu)點(diǎn)：I/O端口不占用存儲(chǔ)器地址，故不會(huì)減少用戶(hù)的存儲(chǔ)器地址空間；采用單獨(dú)的I/O指令，使程序中I/O操作和其他操作層次清晰，便于理解。缺點(diǎn)：?jiǎn)为?dú)I/O指令的功能有限，只能對(duì)端口數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入/輸出操作，不能直接進(jìn)行移位、比較等其他操作；采用專(zhuān)用的I/O操作時(shí)序及I/O控制信號(hào)線(xiàn)，因而增加了微處理器本身控制邏輯的復(fù)雜性。2.I/O映像的I/O尋址6微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出6.2常用輸入/輸出接口芯片1、緩沖器74LS24474LS244是一種具有三態(tài)輸出的8位緩沖器（或稱(chēng)單向線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器）。具有20個(gè)引腳的雙列直插式TTL芯片。內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器分為兩組，分別有2組輸入端（D0 ～D3，D4～D7）和兩組輸出端（Q0 ～Q3，Q4～Q7）,分別由兩個(gè)低電平片選段CE1和CE2控制。常用的緩沖器還有74LS240，74LS241。5存儲(chǔ)器原理與接口8位輸入緩沖器僅能用于輸入接口1234567891020191817161514131211VCCCE2Q0D7Q1D6Q2D5Q3D4CE1D0Q7D1Q6D2Q5D3Q4GND74LS244緩沖器M/IO74LS244ENI/O設(shè)備D7～D0地址譯碼輸出RD6微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出6.2常用輸入/輸出接口芯片2、D鎖存器74LS27374LS273是8位D鎖存器，具有20個(gè)引腳的雙列直插式TTL芯片。使能端CP為低電平有效信號(hào)時(shí)，將輸入端（D端）數(shù)據(jù)打入鎖存器，并在輸出端（Q端）輸出當(dāng)使能端CP為高電平無(wú)效信號(hào)時(shí)，原被鎖存的信號(hào)不輸出，輸出端（Q端）呈高阻態(tài)。常用的緩沖器還有74LS240373，Intel8288。5存儲(chǔ)器原理與接口8位D鎖存器僅能用于輸出接口1234567891020191817161514131211VCCQ7D7D6Q6Q5D5D4Q4CPCLRQ0D0D1Q1Q2D2D3Q3GNDD鎖存器74LS273M/IO74LS273CPI/O設(shè)備D7～D0地址譯碼輸出WR6微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出1、同步傳輸方式2、異步查詢(xún)方式程序控制傳送方式3、中斷方式4、直接存儲(chǔ)器存取方式

6.3輸入/輸出方式及CPU與外設(shè)通信的接口6微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出一、程序控制傳送方式：1、同步傳送方式（無(wú)條件方式）CPU直接與外設(shè)傳送數(shù)據(jù)并不需要了解外設(shè)狀態(tài)，認(rèn)為外設(shè)已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，直接與外設(shè)傳送數(shù)據(jù)適合于簡(jiǎn)單設(shè)備，如LED數(shù)碼管、按鍵/按紐等無(wú)條件傳送的接口和操作均十分簡(jiǎn)單這種傳送有前提：外設(shè)必須隨時(shí)處于就緒狀態(tài)6.3輸入/輸出方式及CPU與外設(shè)通信的接口6微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出一、程序控制傳送方式：1、同步傳輸方式（無(wú)條件方式）同步輸入過(guò)程：提供端口地址執(zhí)行IN指令或存儲(chǔ)器讀指令地址譯碼器輸出，同時(shí)產(chǎn)生M/IO和RD控制信號(hào)數(shù)據(jù)從端口中輸入至CPU6.3輸入/輸出方式及CPU與外設(shè)通信的接口6微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出同步傳輸：輸入示例M/IO三態(tài)緩沖器或鎖存器OEI/O設(shè)備地址譯碼器CSD7～D0A15～A1A00160HMOVDX,160HINAL,DXRD6微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出同步傳輸：輸入示例MOVDX,160HINAL,DX74LS244+5V10Kx8CB1CB2數(shù)據(jù)總線(xiàn)地址譯碼信號(hào)M/IORD按鍵K6微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出一、程序控制傳送方式：1、同步傳輸方式（無(wú)條件方式）同步輸出過(guò)程：提供端口地址執(zhí)行OUT指令或存儲(chǔ)器寫(xiě)指令地址譯碼器輸出，同時(shí)產(chǎn)生M/IO和RD控制信號(hào)CPU將數(shù)據(jù)輸出到端口6.3輸入/輸出方式及CPU與外設(shè)通信的接口6微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出地址譯碼器數(shù)據(jù)鎖存器或驅(qū)動(dòng)器A15A0～A14CS0160H輸出設(shè)備D7～D0MOVDX,160HMOVAL,[BX]OUTDX,AL同步傳輸：輸出示例M/IOWR6微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出同步傳輸：輸出示例MOVDX,160HMOVAL,[BX]OUTDX,AL+5V74LS273300

x8CP數(shù)據(jù)總線(xiàn)地址譯碼信號(hào)M/IOWR6微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出一、程序控制傳送方式：2、異步查詢(xún)方式也稱(chēng)為條件傳輸方式，常用于慢速設(shè)備與CPU交換數(shù)據(jù)。CPU與外設(shè)傳輸數(shù)據(jù)之前，先檢查外設(shè)狀態(tài)，如果外設(shè)處于“準(zhǔn)備好”狀態(tài)（輸入設(shè)備）或“空閑”狀態(tài)（輸出設(shè)備），才可以傳輸數(shù)據(jù)。為此，接口電路中除了數(shù)據(jù)端口外，還必須有狀態(tài)端口。查詢(xún)傳送的特點(diǎn)是：工作可靠，適用面寬，但傳送效率低6.3輸入/輸出方式及CPU與外設(shè)通信的接口6微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出2、異步查詢(xún)方式查詢(xún)環(huán)節(jié)尋址狀態(tài)口讀取狀態(tài)寄存器的標(biāo)志位若不就緒就繼續(xù)查詢(xún)，直至就緒傳送環(huán)節(jié)尋址數(shù)據(jù)口是輸入，通過(guò)輸入指令從數(shù)據(jù)口讀入數(shù)據(jù)是輸出，通過(guò)輸出指令向數(shù)據(jù)口輸出數(shù)據(jù)輸入狀態(tài)就緒？數(shù)據(jù)傳輸YN6微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出異步查詢(xún)輸入方式與接口“1”8D鎖存器8位三態(tài)緩沖器地址譯碼1位三態(tài)緩沖器

A0～A15300H301HD0～D7D0輸入設(shè)備STBRQDM/IORDM/IORDCPCLR6微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出異步查詢(xún)輸入方式與接口SPORTEQU300H;狀態(tài)端口DPORTEQU310H;數(shù)據(jù)端口……TEST1:MOVDX,SPORT

INAL,DX;讀取狀態(tài)端口信息TESTAL,O1;測(cè)試標(biāo)志位D0JZTEST1;

D0＝0，未就緒，繼續(xù)查詢(xún)MOVDX,DPORT;

D0＝1，就緒，DX指向數(shù)據(jù)端口INAL,DX;從數(shù)據(jù)端口輸入數(shù)據(jù)……6微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出異步查詢(xún)輸出方式與接口輸出時(shí)，狀態(tài)寄存器的狀態(tài)指示要輸出的端口緩沖區(qū)內(nèi)容是否取走；

清空？讀取狀態(tài)信息輸出數(shù)據(jù)是否6微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出8D鎖存器1位三態(tài)緩沖器CPQD0～D7D0D“1”ACK輸出設(shè)備地址譯碼300H301HM/IORDM/IORDCLR0BF異步查詢(xún)輸出方式與接口6微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出異步查詢(xún)輸出方式與接口SPORTEQU300H;狀態(tài)端口DPORTEQU310H;數(shù)據(jù)端口……TEST2:MOVDX,SPORT

INAL,DX;讀取狀態(tài)端口信息TESTAL,O1;測(cè)試標(biāo)志位D0JZTEST2;

D0＝0，未就緒，繼續(xù)查詢(xún)MOVDX,DPORT;

D0＝1，就緒，DX指向數(shù)據(jù)端口MOVAL,[BX];將帶輸出的數(shù)據(jù)送入AL中OUTDX,AL;將數(shù)據(jù)輸出到端口……6微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出一、程序控制傳送方式：3、中斷方式當(dāng)外設(shè)作好傳送準(zhǔn)備后，主動(dòng)向CPU請(qǐng)求中斷，CPU響應(yīng)中斷后在中斷處理程序中與外設(shè)交換數(shù)據(jù)。在中斷未發(fā)生時(shí)，CPU可以執(zhí)行其他程序，這樣可以提高CPU的利用率。6.3輸入/輸出方式及CPU與外設(shè)通信的接口程序斷點(diǎn)主程序中斷請(qǐng)求為外設(shè)繼續(xù)執(zhí)行返回?cái)帱c(diǎn)傳送流程提供服務(wù)中斷服務(wù)程序

入口6微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出一、程序控制傳送方式：3、中斷方式中斷傳送是一種效率更高的程序傳送方式進(jìn)行傳送的中斷服務(wù)程序是預(yù)先設(shè)計(jì)好的中斷請(qǐng)求是外設(shè)隨機(jī)向CPU提出的CPU對(duì)請(qǐng)求的檢測(cè)是有規(guī)律的：一般是在每條指令的最后一個(gè)時(shí)鐘周期采樣中斷請(qǐng)求輸入引腳中斷還有著非常廣泛的應(yīng)用6.3輸入/輸出方式及CPU與外設(shè)通信的接口6微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出二、直接存儲(chǔ)器存取方式：6.3輸入/輸出方式及CPU與外設(shè)通信的接口希望克服程序控制傳送的不足： 外設(shè)→CPU→存儲(chǔ)器 外設(shè)←CPU←存儲(chǔ)器直接存儲(chǔ)器存取DMA：不經(jīng)CPU，不用指令外設(shè)→存儲(chǔ)器（DMA寫(xiě)）外設(shè)←存儲(chǔ)器（DMA讀）擴(kuò)展：外設(shè)?

外設(shè)CPU出讓系統(tǒng)總線(xiàn)（輸出高阻），由DMA控制器（DMAC）接管系統(tǒng)總線(xiàn)6微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出二、直接存儲(chǔ)器存取方式：6.3輸入/輸出方式及CPU與外設(shè)通信的接口DMA方式是在外設(shè)與內(nèi)存間建立起直接的通道，CPU不再直接參加外設(shè)和內(nèi)存間的數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)系統(tǒng)需要進(jìn)行DMA傳輸時(shí)，將CPU對(duì)地址和數(shù)據(jù)及控制線(xiàn)的管理權(quán)交由DMA控制器進(jìn)行控制，當(dāng)完成了一次DMA數(shù)據(jù)傳輸后，再將這個(gè)控制權(quán)還給CPU，這些工作都是由硬件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，并不需要程序進(jìn)行。6微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出二、直接存儲(chǔ)器存取方式：6.3輸入/輸出方式及CPU與外設(shè)通信的接口ABDBCB

CPUDMACRAM/ROMI/O6微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出CPU外設(shè)存儲(chǔ)器總線(xiàn)二、直接存儲(chǔ)器存取方式：6微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出6.4

8086CPU的輸入/輸出1、I/O尋址64K2、