第4章4.1-4.4微機接口技術(shù)

第4章微型計算機接口技術(shù)《新編微機原理與應(yīng)用》—中國電力出版社2014/0664.1

微型計算機接口技術(shù)主機將數(shù)據(jù)送到外設(shè)，稱為輸出外設(shè)將數(shù)據(jù)送到主機，稱為輸入簡稱I/O操作接口—“橋梁”，主機與外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，必須經(jīng)過接口。接口電路CPU

I/O設(shè)備數(shù)據(jù)狀態(tài)控制數(shù)據(jù)狀態(tài)控制2014/066內(nèi)存PCI插槽北橋芯片：負(fù)責(zé)與CPU的數(shù)據(jù)通信，并控制內(nèi)存、AGP等數(shù)據(jù)的傳輸。南橋芯片：與I/O設(shè)備等相連，實現(xiàn)I/O總線之間的通信，負(fù)責(zé)管理中斷及DMA通道。2014/066§4.1.1

I/O接口傳遞的信息1、數(shù)據(jù)信息：2、狀態(tài)信息：3、控制信息：數(shù)字量、模擬量、開關(guān)量準(zhǔn)備就緒(READY)、忙(BUSY)等讀/寫、選中片選等§4.1.2

I/O接口的端口1、端口數(shù)據(jù)端口、狀態(tài)端口、控制端口。端口1端口2端口3端口—用于存放信息的、

CPU直接訪問鎖存器、緩沖器。2014/066①數(shù)據(jù)端口數(shù)據(jù)端口根據(jù)I/O設(shè)備的需要，可能單向輸出、單向輸入或是雙向的，雙向數(shù)據(jù)端口往往同時具有鎖存及三態(tài)緩沖功能。②狀態(tài)端口

CPU通過讀狀態(tài)端口了解I/O設(shè)備的工作狀態(tài)，狀態(tài)端口是只讀端口，一般包含三態(tài)緩沖器。③控制端口對I/O設(shè)備的控制命令通過寫控制端口發(fā)出?？刂贫丝谑侵粚懚丝?，一般都具有鎖存功能。2、端口的分類2014/066§4.1.3

I/O接口的主要功能實現(xiàn)與不同外設(shè)的速度匹配

數(shù)據(jù)緩沖、隔離、和鎖存改變信號的形式和數(shù)據(jù)格式進(jìn)行變換實現(xiàn)I/O端口的尋址2014/066RD/WR0000H1FFFH2000H2FFFH存儲器I/O一致的讀寫信號1、統(tǒng)一編址

I/O與存儲器(RAM)的地址不重復(fù)，讀寫指令一致，只是根據(jù)地址來區(qū)分操作對象是RAM還是I/O。優(yōu)點：無需專門的I/O指令，對I/O操作指令豐富，可進(jìn)行算術(shù)和邏輯運算；缺點：占用存儲器地址，因外設(shè)功能各不相同，需要復(fù)雜的電路進(jìn)行時序配合?！?.1.4

I/O接口編址2014/0662、獨立編址

I/O與存儲器(RAM)的地址重復(fù)，用不同的讀寫信號和指令區(qū)分。存儲器讀寫：MEMW，MEMR，I/O讀寫：IOR，IOW(PC/XT)優(yōu)點：電路簡單，不占用MEM空間；缺點：I/O指令單一。INAL,10HOUT10H,ALAND[SI],AXADD[DI],BX2014/066

程序控制方式、中斷控制方式、直接存儲器存取方式。（DMA方式）和輸入/輸出處理機方式。程序控制方式是指在程序控制下進(jìn)行信息傳送。分為無條件傳送方式和有條件傳送方式。1、程序控制方式1）無條件傳送（同步傳送）：應(yīng)用于定時為已知的且固定不變的低速I/O。無需等待的高速I/O?！?.1.5

I/O接口控制方式2014/066查詢方式，一般查詢傳輸時一個I/O設(shè)備有兩個端口地址，一個為數(shù)據(jù)口地址，一個為狀態(tài)口地址。CPU先讀取狀態(tài)口的數(shù)據(jù)，看看當(dāng)前外設(shè)的狀態(tài)準(zhǔn)備好沒有，若準(zhǔn)備好則開始讀寫數(shù)據(jù)口，傳輸數(shù)據(jù)；若未準(zhǔn)備好則循環(huán)讀取狀態(tài)口地址等待外設(shè)準(zhǔn)備好。2）有條件傳送方式2014/066

D7D6D0

數(shù)據(jù)端口狀態(tài)端口

D78位1位數(shù)據(jù)口狀態(tài)口控制口A7~A0Poll:Inal,S_portTestal,80hJzpollInal,D_port

查詢式輸入接口電路2014/066狀態(tài)口數(shù)據(jù)口I/O控制線控制線查詢式輸出接口電路Poll:Inal,S_portTestal,80hJnzpollmoval,storeOutD_port,al2014/0662、中斷控制方式當(dāng)外部設(shè)備與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時，由接口發(fā)出一個中斷請求信號，CPU響應(yīng)中斷請求，在中斷服務(wù)程序中完成一個字節(jié)或一個字的信息交換。中斷請求中斷服務(wù)程序中斷返回中斷響應(yīng)主程序每操作一次，CPU要打斷原來執(zhí)行的程序去執(zhí)行中斷服務(wù)程序，對速度較高的外部設(shè)備會產(chǎn)生信息丟失。2014/0663、DMA控制方式DMA控制方式是一種塊傳送數(shù)據(jù)的方式。存儲器I/O接口外設(shè)CPU(AL,AX)DMAC直接存儲器訪問控制HLDA發(fā)存儲器地址傳送數(shù)據(jù)傳送結(jié)束？DMA結(jié)束修改地址指針2014/0664.2

I/O接口結(jié)構(gòu)及芯片分類§4.2.1

I/O接口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)§4.2.2

I/O接口的外部特性

I/O接口的外部特性由其對外的引出信號體現(xiàn)。接口信號分為面向主機或CPU一側(cè)的信號和面向外設(shè)一側(cè)的信號。對面向CPU一側(cè)的信號，有數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。2014/066§4.2.3

I/O接口芯片分類1、通用接口芯片

支持通用的輸入/輸出及控制接口芯片；適用于大部分外部設(shè)備，例如并行接口芯片8255，串行接口芯片8251等。2、面向微機系統(tǒng)的專用接口芯片

與CPU配套使用，以增強其整體性能。例如用來擴展系統(tǒng)中斷功能的中斷控制器8259A，用來支持DMA數(shù)據(jù)高速傳送的DMA控制器8237，用來為系統(tǒng)提供定時和計數(shù)功能的定時/計數(shù)器8253等。3、面向外設(shè)的的專用接口芯片

針對某種外設(shè)而設(shè)計，例如鍵盤/顯示器接口芯片8279可支持簡易鍵盤和數(shù)碼顯示器。2014/0664.3

I/O接口結(jié)構(gòu)及芯片分類8255A是Intel系列的并行接口芯片，它是可編程的，可設(shè)置其工作方式，不需要再附加外部電路?！?.3.1

8255A內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳功能1、與外設(shè)接口端口A1個8bit的數(shù)據(jù)輸入鎖存，一個8bit的數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩沖器；2)端口B1個8bit的數(shù)據(jù)輸入緩沖，一個8bit的數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩沖器；3)端口C1個8bit的數(shù)據(jù)輸入緩沖，一個8bit的數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩沖器；2014/0662、內(nèi)部控制邏輯電路端口C：端口C常被分成2個4位端口，分別作為端口A和端口B的輸入輸出控制線和狀態(tài)信號線，與端口A、端口B配合使用。2014/066接受CPU對控制端口的命令(控制字)，可以獨立地設(shè)置8255A中3個端口的工作方式。1）數(shù)據(jù)總線緩沖器

雙向三態(tài)8bit數(shù)據(jù)緩沖器，與CPU的數(shù)據(jù)總線相連，同時與8255A的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線相連，接受從CPU發(fā)出的控制字,輸入輸出數(shù)據(jù),同時也向CPU傳輸8255A的狀態(tài)字。2）讀/寫控制邏輯電路

CPU發(fā)送的讀/寫信號，其中A0,A1尋址8255A內(nèi)部寄存器，共有3個數(shù)據(jù)端口，1個控制端口。3、與CPU接口2014/0661).PA7~PA0,PB7~PB0,PC7~PC0與外設(shè)相連的并行擴展口。2).D7~D0：與CPU的數(shù)據(jù)總線相連，傳輸8255A的命令字或I/O數(shù)據(jù)。3).RESET：高有效,8255A內(nèi)部寄存器清零,3個端口均為輸入。4).CS：片選信號，低電平5).RD：為低讀有效，CPU可以從3個端口讀入數(shù)據(jù)。6).WR：為低寫有效，CPU可以向3個端口輸出數(shù)據(jù)，同時利用寫信號可以向8255A的控制口寫控制命令，設(shè)置8255A的工作方式。2014/066

8255A接口工作狀態(tài)選擇表2014/0661、工作方式控制字8255A的方式控制字1方式選擇控制字的標(biāo)識位D6D500—方式0A端口方式選擇10—方式201—方式1D4

端口A：1—輸入

0—輸出D0PC3~PC0：1—輸入

0—輸出D1端口B：1—輸入0—輸出D2B端口方式選擇0—方式01—方式1D3PC7~PC4:1—輸入

0—輸出A組B組§4.3.2

8255A控制字2014/0662、端口C置位/復(fù)位控制字

8255A端口C置位/復(fù)位控制字1=置10=置0

D00C端口置1/置0標(biāo)識符

D6D5D4×××無關(guān)D3D2D1位選擇：

2014/066§4.3.38255A的工作方式2、方式1：選通輸入/輸出方式。

共有3個口,被分為兩組。A組包括A口和PC7~PC4,A口可由編程設(shè)定為輸入或輸出,PC7~PC4作為輸入/輸出操作的選通信號和應(yīng)答信號。B組包括B口和PC3~PC0,這時C口作為8255A和外設(shè)或CPU之間傳送某些狀態(tài)信息及中斷請求信號。1、方式0：基本輸入/輸出方式。

這種方式不需選通信號。PA，PB，PC中任一端口都可以通過方式控制字設(shè)定為輸入或輸出。2014/066STB:

外設(shè)送入的選通信號，與外設(shè)數(shù)據(jù)一起送入，相當(dāng)于8255A的啟動信號。PA7～0PC4ASTBPC5IBFAINTEAPC3INTRAPC6PC7RD方式1(端口A)輸入IBF:InputBufferFull,輸入緩沖器滿，高有效，由8255發(fā)往外設(shè)，表示8255收到數(shù)據(jù)，但未被CPU取走，通知外設(shè)不可再送數(shù)據(jù)；當(dāng)其為低時，表示CPU已取走數(shù)據(jù)，允許外設(shè)送新的數(shù)據(jù)。INTRA:8255向CPU申請中斷，高有效。3個條件:1)STB為高，數(shù)據(jù)打入8255；2)IBF為高，8255收到數(shù)據(jù)；3)INTE(中斷請求允許)為高，8255允許中斷應(yīng)答。INTEA:

中斷允許信號。INTE沒有外部引出端，由軟件對C口某位進(jìn)行置0或置1的操作實現(xiàn)。A口，是PC4；B口，是PC2。置1允許中斷，置0屏蔽中斷。1）方式1輸入2014/066PB7～0PC2BSTBPC1IBFBINTEBPC0INTRBRD方式1(端口B)輸入

PC0~2屬于B口聯(lián)絡(luò)線，PC3~5屬于A口聯(lián)絡(luò)線，PC6，PC7沒有被重新定義，仍可作為基本I/O口使用，屬于C口的高半部分，在控制字中定義其輸入輸出特性。2014/066工作時序INTRtSIT從外設(shè)來的輸入數(shù)據(jù)tPStPH①STBtST②③tRIB④IBFtSIBtRITRD外設(shè)向8255的啟動信號8255向CPU發(fā)出中斷請求信號CPU向8255發(fā)出的讀數(shù)據(jù)信號來自外設(shè)的輸入數(shù)據(jù)2014/0662）方式1輸出PA7～0PC6AACKPC7INTEAPC3INTRAPC4PC5WR方式1(端口A)輸出AOBFOBFA:OutputBufferFull,輸出緩沖器滿，8255A將接到CPU送來的數(shù)據(jù)連帶這個信號一起送往外設(shè)，相當(dāng)于啟動信號，通知外設(shè)開始接收數(shù)據(jù)。INTR：中斷請求信號，由8255發(fā)往CPU，高有效。高電平條件：WR、OBF、ACK和INTE均為高電平。ACK

:

外設(shè)應(yīng)答信號，外設(shè)送入8255，低有效。有效時表示外設(shè)已接到數(shù)據(jù)，可將OBF變高，表示CPU可以進(jìn)行下一次傳輸。2014/066PB7～0PC1BACKPC2INTEBPC0INTRBWR方式1(端口B)輸出BOBF

PC0~2屬于B口聯(lián)絡(luò)線，PC3，PC6，PC7屬于A口聯(lián)絡(luò)線，PC4，PC5沒有被重新定義，仍可作為基本I/O口使用，屬于C口的高半部分，在控制字中定義其輸入輸出特性。2014/066方式1輸出數(shù)據(jù)的時序INTRtWITWRtAOB①②③④OBFtWOBtAITtAKACKtWB送往外設(shè)的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)有效2014/0663、方式2——雙向輸入/輸出方式該方式只能用于端口A，A口既輸入口又輸出口，可采用中斷或查詢方式與CPU交換數(shù)據(jù)，C口用5個高位數(shù)位為A口提供應(yīng)答信號。這時，端口B仍可以方式0或方式1工作。PA7～0PC6AACKPC7AOBFPC4ASTBPC5IBFAINTE1INTE2PC3INTRARDWR方式2(端口A)方式2的信號聯(lián)絡(luò)線實際上是方式1輸入輸出的組合。2014/066端口C各位作A、B口控制、狀態(tài)信號的對應(yīng)關(guān)系CPU可以通過對控制信號的置位/復(fù)位，實現(xiàn)與外設(shè)的應(yīng)答聯(lián)絡(luò)；可通過讀取C口的狀態(tài)，來查詢和判斷數(shù)據(jù)口的狀態(tài)2014/066若8255A的工作方式設(shè)定為方式1或方式2時，讀PC口便可讀得相應(yīng)的狀態(tài)字，以便了解8255A的工作狀態(tài)，并供CPU查詢。方式1§4.3.48255A的狀態(tài)字2014/066方式22014/0668259A的主要功能：可對8個中斷源實現(xiàn)優(yōu)先級控制可擴展至對64個中斷源實現(xiàn)優(yōu)先級控制每一個中斷均可通過編程屏蔽或允許可編程設(shè)置不同工作方式根據(jù)中斷源向CPU提供中斷類型碼可與CPU直接連接，不需外加硬件電路特點：可編程、8級向量優(yōu)先中斷、級聯(lián)、優(yōu)先權(quán)動態(tài)地改變。4.4

可編程中斷控制器8259A2014/066

數(shù)據(jù)總線緩沖器讀/寫控制電路級聯(lián)緩沖/比較控制電路中斷服務(wù)寄存器

(ISR)優(yōu)先權(quán)判別器

(PR)中斷請求寄存器

(IRR)中斷屏蔽寄存器

(IMR)內(nèi)部總線§4.4.18259A內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳功能2014/066控制電路中斷服務(wù)寄存器

(ISR)

優(yōu)先權(quán)判別器(PR)中斷請求寄存器

(IRR)中斷屏蔽寄存器

(IMR)內(nèi)部總線1）中斷請求寄存器IRR：保存從IR0～I(xiàn)R7來的中斷請求信號，某位=1表示對應(yīng)的IRi有中斷請求(保存正在申請中斷的狀態(tài))2）中斷屏蔽寄存器IMR：存放中斷屏蔽字，某位=1表示對應(yīng)的IRi輸入被屏蔽

1、內(nèi)部功能寄存器3）優(yōu)先權(quán)判別器PR：當(dāng)IR7～

IR0中有多個中斷請求信號同時產(chǎn)生時，PR判定哪個中斷請求具有最高優(yōu)先權(quán)，并把它置入ISR的相應(yīng)位。4）中斷服務(wù)寄存器ISR：保存所有正在服務(wù)的中斷源，某位=1表示對應(yīng)的IRi中斷正在被服務(wù)。多重中斷情況下，ISR中多位被同時置“1”。1.控制電路：根據(jù)IRR的置位情況和優(yōu)先權(quán)判別器PR的判定結(jié)果，向8259A內(nèi)部其它部件發(fā)出控制信號，并向CPU發(fā)出中斷請求INT和接收來自CPU的中斷響應(yīng)INTA。2014/0661）數(shù)據(jù)總線緩沖器：雙向8位三態(tài)緩沖器，構(gòu)成8259A與CPU之間的數(shù)據(jù)接口。2、與CPU的接口2）讀/寫控制邏輯：完成來自CPU的讀寫命令，及與片選信號CS與A0（0或1）決定訪問片內(nèi)某個寄存器。3）級聯(lián)緩沖/比較器：用于多片8259之間的連接，主片8259A的CAS2～CAS0是輸出線，從片8259A的CAS2～CAS0是輸入線SP/EN：雙功能引腳。2014/066IR0～I(xiàn)R7：8個異步中斷請求輸入信號。分別接來自不同外設(shè)的中斷源，高電平或上升沿表示有請求。INT：中斷請求信號(輸出)，向CPU發(fā)中斷請求。CAS2～CAS0：主從級連雙向信號。一個是主控制器，其余是從控制器。從片的INT輸出接到主片的一個IR輸入。A0：地址選擇信號，對內(nèi)部寄存器選擇，接總線的A0。8259A的內(nèi)部寄存器占兩個地址，稱為奇地址和偶地址。INTA：中斷響應(yīng)輸入信號,接收CPU響應(yīng)中斷后的應(yīng)答信號。2014/066§4.4.2

8259A的工作方式

8259A具有非常靈活的中斷管理方式，可滿足使用者的不同要求，而中斷優(yōu)先級是中斷管理的核心問題。1、8259A的優(yōu)先級管理方式完全嵌套方式自動循環(huán)方式特殊循環(huán)方式特殊完全嵌套2014/0661）

完全嵌套方式

系統(tǒng)復(fù)位后自動進(jìn)入的默認(rèn)方式，8個中斷源在該方式下自動將IR0設(shè)置為最高級，IR7級別最低。要求在中斷服務(wù)程序結(jié)束之前，執(zhí)行一段程序，將要結(jié)束的中斷請求的ISR相應(yīng)位清“0”，以便響應(yīng)下一級的中斷請求。2）自動循環(huán)方式優(yōu)先級的順序不是固定不變的，一個設(shè)備受到中斷服務(wù)后，其優(yōu)先級自動降為最低。初始優(yōu)先級的順序為IR0～I(xiàn)R7。優(yōu)先級：高低2014/0663）優(yōu)先級指定輪換方式

與優(yōu)先級自動輪換方式一致，但初始的最高優(yōu)先級是指定的，然后再按順序自動輪換。2014/0664）特殊全嵌套方式(級聯(lián))中斷優(yōu)先級按IR0～I(xiàn)R7順序排列，當(dāng)執(zhí)行某一級中服時，可響應(yīng)同級中斷源提出的中斷請求，從而實現(xiàn)中斷請求的特殊嵌套。IR2的優(yōu)先級大于IR5，應(yīng)該打斷IR5的中服，但對主片而言，它們同是一個優(yōu)先級IR3，所以如果工作在正常全嵌套方式下，CPU不能執(zhí)行從片IR2的中服。所以，在級聯(lián)情況，應(yīng)使主片工作在特殊的全嵌套方式下。2014/0662、屏蔽中斷源方式

CPU關(guān)閉中斷是最直接的中斷源屏蔽方式，CPU將禁止所有的可屏蔽中斷請求。1）普通屏蔽方式

將8259A內(nèi)部中斷屏蔽寄存器IMR中的某一位或某幾位置“1”，即可將相應(yīng)級的中斷請求屏蔽掉?？稍谥袛喾?wù)程序中將IMR寄存器的響應(yīng)位置“1”，稱作普通屏蔽方式。2）特殊屏蔽方式

假設(shè)當(dāng)CPU正在處理某級中斷時，要求對本級中斷進(jìn)行屏蔽，而允許級別低的中斷請求進(jìn)入系統(tǒng)，須采用特殊屏蔽方式。而這種中斷嵌套用普通屏蔽方式無法實現(xiàn)。2014/066

任何一級中斷處理完畢，CPU應(yīng)向8259A回送EOI結(jié)束命令，以便8259A將ISR寄存器中的相應(yīng)位清“0”，標(biāo)志本級中斷結(jié)束。3、結(jié)束中斷的處理方式普通EOI方式特殊EOI方式自動AEOI方式非自動EOI方式結(jié)束中斷的處理方式就是對ISR中的該位進(jìn)行處理。2014/0661）自動中斷AEOI方式在中服程序的最后，中斷返回之前，不需要軟件發(fā)送清除ISR對應(yīng)位的命令，機器在中服運行之前(第二個INTA)自動清除該中服程序所對應(yīng)的ISR位。這種方式用在中斷不會嵌套的系統(tǒng)中。特點:中斷服務(wù)程序中不用程序結(jié)束，只要執(zhí)行IRET指令即可，CPU響應(yīng)中斷時就將對應(yīng)的ISR清“0”。2014/066

2）非自動中斷EOI方式①正常EOI命令

該EOI命令，使ISR中為“1”的當(dāng)前優(yōu)先級最高的位復(fù)位。在中服程序中，是一個通用的命令EOI命令(常用)。②指定的EOI命令

在特殊的全嵌套方式下，只根據(jù)ISR的對應(yīng)位是無法確定哪一級中斷是最后響應(yīng)和處理的，所以在程序中要發(fā)一指定的EOI命令，向8259A指出要清除的ISR中的具體位。這是在8259A的命令字中實現(xiàn)的，一般用于復(fù)雜的多片級聯(lián)系統(tǒng)中。2014/0664、中斷請求觸發(fā)方式1）電平觸發(fā)

當(dāng)8259A輸入端IRi輸入為高電平時，8259A便向CPU申請中斷。在電平觸發(fā)下，當(dāng)執(zhí)行EOI命令后，ISR中對應(yīng)位的ISRi位被復(fù)位。2）邊沿觸發(fā)

當(dāng)8259A輸入端IRi輸入由低電平變?yōu)楦唠娖綍r才能觸發(fā)8259A。在邊沿觸發(fā)方式下，當(dāng)中斷服務(wù)程序執(zhí)行結(jié)束后，若IRi輸入仍為高電平，此時8259A也不會重復(fù)響應(yīng)IRi的中斷請求。2014/066INT&1、中斷請求信號INT的產(chǎn)生§4.4.3

8259A中斷控制過程2014/0662、中斷響應(yīng)對8086CPU而言，響應(yīng)中斷申請后，向8259A回送兩個負(fù)脈沖INTA。第一個INTA到達(dá)時，8259A做3件事：①IRR鎖存功能失效，不接受任何申請；②使ISR相應(yīng)位置位，提供判優(yōu)依據(jù)；③使IRR清零。第二個INTA到達(dá)時，8259A做3件事：①恢復(fù)IRR功能；②將中斷類型號送上數(shù)據(jù)總線的D7～D0,傳給CPU；③如果方式控制字（ICW4),自動中斷結(jié)束位為1，那么在第二個脈沖結(jié)束時，8259A會將第一個INTA脈沖到來時設(shè)置的ISR清0。2014/066D7D6D5D4D3×××D2D1D0與用戶選擇類型碼有關(guān)，選擇系統(tǒng)沒有占用的。000—IR0001—IR1010—IR2011—IR3100—IR4101—IR5110—IR6111—IR7

中斷類型碼肯定是連續(xù)的,它們在中斷類型表中的位置取決于D7~D3

位的狀態(tài)。

例：D7~D3=01000

則中斷類型碼將40H~47H

3、中斷矢量號的設(shè)置每一個中斷源都有一個中斷矢量號（設(shè)備號）。8259A中斷類型碼的確定：2014/066§4.4.4

8259A的控制字2014/0661）ICW1芯片初始化命令字。標(biāo)記：A0=0，D4=1011、初始化命令字2014